bio energi tika
Post on 09-Feb-2018
231 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
1/23
1
Bioenergitika
Susi Sugiarti
102007.046
Fakultas Kedokteran
Universitas Kristen Krida Wacana
2013
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
2/23
2
PEMBAHASAN
Kaidah Termodinamika Dalam Sistem Biologik
Kaidah pertama termodinamika:
Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang berbunyi: energi total
sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini berarti bahwa saat terjadi
perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat
dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain. Contohnya energi
kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya.
HUKUM 1 TERMODINAMIKA (AZAS KEKEKALAN ENERGI)
Energi dapat dirubah tetapi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan q = jumlah kalor yang diserap/dikeluarkan w = jumlah kerja yang diterima/dilakukan sistem
Kaidah kedua termodinamika:
Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin
berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. Entropi
akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang
sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (G)
pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi (S), diungkapkan dalam
persamaan:
G = H TS
Keterangan: H adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
3/23
3
Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat H kurang lebih sama dengan E, perubahan total
energi internal di dalam reaksi, hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan:
G = E TS
Jika G bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi
eksergonik). Jika G sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa
membalik (irreversibel).
Jika G bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika memperoleh energi bebas (reaksi
endergonik). Bila G sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi.
Hukum termodinamika
Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk berbagai
tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik maupun kimia. Dalam
banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan sangat efisien menjadi bentuk yang
berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya diubah menjadi energi ikatan kimia. Dalam
mitokondria, energi bebas yang terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah
mnjadi suatu alat tukar energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). Energi ikatan kimia yang
terkandungdalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksiotot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel sel
mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP juga
digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya. Bioenergetika atau thermodinamika biokimia
menerangkan berbagai macam perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi
bebas adalah bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat,
difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua.
Hukum thermodinamika pertama menyatakan jumlah energi dalam suatu sistem dan
lingkungannya adalah tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung
spontan hanya bila jumlah entropi (tingkat kekacauan) suatu sistem dan lingkungannya
bertambah. Suatu masalah dalam menggunakan entropi sebagai kriteria apakah suatu reaksi
kimia dapat berjalan spontan, ialah bahwa perubahan entropi reaksi kimia tidak dapat diukur
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
4/23
4
secara langsung. Kesukaran ini diatasi dengan menggunakan fungsi thermodinamika lain yang
disebut energi bebas ( G ) dengan persamaan : tG = tH - T tS . tG adalah perubahan energi bebas
suatu sistem yang mengalami perubahan pada suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap. tH
adalah perubahan entalpi (kandungan panas) sistem dan tS perubahan entropinya.
Perubahan entalpi dinyatakan sebagai : tH = tE PtV, karena perubahan volume, tV
dalam reaksi biokimia kecil sehingga tH hampir sama dengan tE, maka : tG= tE - T tS .
Berlawanan dengan perubahan energi dalam sistem (tE ), perubahan energi bebas (tG ) suatu
reaksi adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah reaksi tersebut dapat berlangsung
dengan spontan. Suatu reaksi dapat berlangsung spontan hanya bila tG negatif. Bila tG nol,
sistem berada dalam keseimbangan dan bila positif, diperlukan masukan energi bebas untuk
menggerakkan reaksi tersebut. ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik Proses dimana
berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas (eksergonik) selalu dirangkaikan
dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebas (endergonik).
Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan
atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi
terdapat dalam proses anabolisme. Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik
harus ada senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik
dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga
energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut. Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu
mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi
oksidasi yang melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk
senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi
tinggi yang utama adalah ATP . ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan
trifosfat . Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg 2+ atau Mn 2+. Sebagai
pengembang energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan
fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi
adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin
monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara
termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam
lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
5/23
5
endergonik (tG = + 13,8 kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi
lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tG = - 30,5 kj/mol )
sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan mudah
dan sangat eksergonik (tG = - 16,7 kj/mol ). Konversi antar ATP, AMP dan ADP adalah
mungkin. Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ADP +
ADP. Reaksi ini mempunyai fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP
untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi
aktivasi yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan
konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan
kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa reaksi biosintesis dijalankan
oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat
(UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP,
UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus
fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida
difosfat kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDPADP + GTP dan ATP + GMPADP +
GDP.
Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi.
Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1,3 bifosfogliserat,
asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari
ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa tersebut dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP
untuk membentuk ATP. Potensial transfer fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting
secara biologis seperti glukosa 1 fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol
3 fosfat lebih rendah dari ATP. Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul
terfosforilasi tersebut, memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus
fosforil. ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfoanhidridanya
disebut sebagai ikatan berenergi tinggi.
Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas
ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan P dan
menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber utama P
yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
6/23
6
P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk menggerakkan proses
ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis,
membentuk total dua P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber
ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A
menjadi suksinat. Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi
tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein pembawa asil,
senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa dan
5.fosforibosil.1.pirofosfat.
Reaksi oksidasi molekul bahan bakar dimana NADH dan FADH 2 adalah pengemban
elektron utama Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, seperti
glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen.
Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari molekul bahan bakar atau
dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat yang dioksidasi memindahkan
elektronnya kepengemban-pengemban khusus yaitu nukleotida piridin atau flavin. Pengemban
yang tereduksi ini kemudian memindahkan elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai
pernapasan yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk
sebagai hasil aliran elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP
dari ADP dan ortofosfat ( Pi ).
Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi sumber utama ATP pada
organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang berasal dari oksidasi molekul bahan
bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi biosintesa yang memerlukan daya pereduksi.
Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD + ) adalah pengemban elektron utama pada oksidasi
molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD + adalah cincin nikotinamidnya, suatu derivat
piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid NAD + menerima satu ion hidrogen dan dua
elektron, yang ekivalen dengan satu ion hidrida(H - ). Bentuk tereduksi pengemban ini disebut
NADH. Pada dehidrogenasi diatas, satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke
NAD +, sedangkan yang lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang
dilepaskan oleh substrat dipindahkan kecincin nikotinamid. Pengembang elektron utama lainnya
pada oksidasi molekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk
tereduksinya adalah FADH2. Bagian reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD,
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
7/23
7
seperti juga NAD + , dapat menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD + , FAD
mengambil proton dan juga ion hidrida.
Reaksi Coupling
Reaksi Coupling adalah penggabungan reaksi eksergonik & endergonik.
CONTOH REAKSI EKSERGONIK
Glikolisis: adalah proses perubahan GlukoseAsetil coA + ATPSiklus Kreb: adalah proses perubahan Asetil coAH + ATP
Fosforilasi Oksidatif: hdala proses pereaksiaan antara H + OH2O + energi, danenergi yang terbentuk digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP
CONTOH REAKSI ENDERGONIK
Sintesa: protein, enzim, hormon, antibodi
Kontaksi otot: gerak, nafas, jantung
Eksitasi saraf: berpikirTransport aktif: pompa Na-K, reabsorpsi tubulus nefron
Reaksi Coupling
1. Pembentukan senyawa antara: A+C I B+DI = common obligatory intermediate (senyawa antara/senyawa kaya energi)
2. Pembentukan senyawa kaya energy (~E)Senyawa-senyawa kaya energi:
Tiol ester mencakup koenzimA, misal: asetil koA
Acyl carrier protein (ACP) Senyawa ester asam amino S- adenosilmetionin (metionin aktif) UDPGIc (Uridin diphospat glukosa)
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
8/23
8
Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan pengalihan energi
Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan pasokan energi
bebas dari lingkungannya. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses
eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri
tertentu menggunakan reaksi Fe2+
Fe3+
. Sebaliknya organisme heterotrofik, memperoleh
energi bebasnya dengan melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.
Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses
eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin,
ribosa dan 3 gugus fosfat (lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi
sebagai kompleks Mg2+
ATP diperlihatkan sebagai kompleks magnesium
ATP dan ADP
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
9/23
9
Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera
pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2
kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki G lebih rendah dari pada G0pada
ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai G lebih tinggi daripada G0 pada
ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan sebagainya.
Senyawa biologik penting lain yang berenergi tinggi adalah tiol ester yang mencakup
koenzim A (misal asetil-KoA), protein pembawa asil, senyawa-senyawa ester asam amino yang
terlibat dalam sintesis protein, S-adenosilmetionin (metionin aktif), uridin difosfat glukosa dan 5-
fosforibosil-1-pirofosfat.
Tabel 3.1 Energi bebas baku hasil hidrolisis beberapa senyawa organofosfat yang memiliki
peran penting dalam biokimia
Senyawa G
kJ/mol kkal/mol
Fosfoenolpiruvat
Karbamoil fosfat
1,3-bifosfogliserat
(sampai 3-fosfogliserat)
Kreatin fosfat
ATP ADP + Pi
ADPAMP + Pi
Pirofosfat
Glukosa 1-fosfat
Fruktosa 6-fosfat
-61,9
-51,4
-49,3
-43,1
-30,5
-27,6
-27,6
-20,9
-15,9
-14,8
-12,3
-11,8
-10,3
-7,3
-6,6
-6,6
-5,0
-3,8
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
10/23
10
AMP
Glukosa 6-fosfat
Gliserol 3-fosfat
-14,2
-13,8
-9,2
-3,4
-3,3
-2,2
Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~. Simbol ini
menunjukkan bahwa gugus yang melekat pada ikatan, pada saat peralihan pada suatu akseptor
yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan kuantitas energi bebas yang lebih besar. Oleh
karena itulah sebagian ahli biokimia lebih menyukai istilah potensial pemindahan gugus
daripada ikatan berenergi tinggi.
Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1, maka ATP merupakan donor fosfat berenergi
tinggi (donor energi bebas) bagi senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat
menerima fosfat berenergi tinggi untuk membentuk ATP dari senyawa yang berada di atas ATP
dalam tabel. Akibatnya siklus ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan ~
dan proses-proses yang menggunakan ~. Dengan demikian ATP terus dikonsumsi dan terus
diproduksi.Proses terjadi dengan kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP sangat kecil
dan hanya cukup untuk mempertahankan jaringan aktif dalam beberapa detik saja.
Ada 3 sumber utama ~yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi.
1. Fosforilasi oksidatifFosforilasi oksidatif adalah sumber ~terbesar dalam organisme aerobik. Energi bebas
untuk menggerakkan proses ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam
mitokondria dengan menggunakan oksigen.
2. GlikolisisDalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~ yang terjadi akibat pembentukan
laktat
3. Siklus asam sitratDalam siklus asam sitrat satu ~dihasilkan langsung pada tahap suksinil tiokinase.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
11/23
11
Senyawa kaya energi (~e)
atp: adenosinp ~ p ~ p (adenosin trifosfat) atp adalah suatu nukleotida yg dalam bentuk aktifnya membentuk kompleks
dengan mg++ ataumn++
peranan atp sbg pembawa energi terletak pada gugusan trifosfat yg mengandung 2ikatan fosfoanhidrid. hidrolisis ikatan ini akan melepaskan banyak energi bebas.
analog atp : gtp, ctp, utp senyawa kaya energi (~ e ) lainnya misalnya fosfoenolpiruvat, kreatinfosfat( ada
simbol ikatan bertenaga tinggi (~)
tumbuhan mendapatkan energinya dari fotosintesis sedangkan hewan dan manusiamendapatkannya dari bahan makanan
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
12/23
12
Perubahan energi bebas
pada reaksi a + b c+ d
Secara termodinamika:
apabila g < 0dikatakan reaksi ke kanan bersifat eksergonik (dapat berlangsungspontan)
apabila g = 0 dikatakan reaksi setimbang apabila g > 0 dikatakan reaksi ke kanan bersifat endergonik (tidak dapat berlangsung
spontan, karena untuk dapat berlangsung perlu energi/ dikaitkan dgn reaksi eksergonik)
reaksi biokimia di dalam sel umumnya tak dapat berlangsung dgn sendirinya oleh karenaadanya hambatan energi (energy barrier) jadi perlu enzimuntuk mengatasi hambatan
energi ini ( enzim menurunkan energi aktivasi , tetapi tidak mengubah harga g )
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
13/23
13
RANTAI RESPIRASI
Mitokondria
tempat pembentukan atp paling utama dalam sel, sebab
a. mengandung jalur/ daur yg banyak menghasilkan energi:
1. siklus asam sitrat
2. oksidasi beta asam lemak
menghasilkan asetil ko-a
masuk siklus asam sitrat
b. tempat berlangsungnya rantai respirasi
jadi jalur/ daur tsb di atas menyediakan bahan baku h+ dan elektron yg akan masuk ke
rantai respirasi(pabrik atp, membentuk atp dari adp+ pi ). h+ dan elektron akhirnya
dengan oksigen membentuk h2o.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
14/23
14
Rantai respirasi merupakan serangkaian katalisator dalam mitokondria untuk transpor hidrogen
atau h+dan e-untuk akhirnya direaksikan dengan o2membentuk h2o. Rantai respirasi hanya
berjalan dalam keadaan aerob (ada o2).
pada rantai respirasi terjadi 3 hal:
1. 1.transpor hidrogen atau h+dan e-rangkaian proses oksidasi2. pembentukan atp : proses fosforilasi oksidatif3. pemakaian o2
Jumlah atp yang terbentuk:
lewat dehidrogenase nad : ratio p:o = 3:1 lewat dehidrogenase fad tanpa lewat nad : ratio p:o=2:1
Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif
NADH dan FADH 2yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi
asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi
karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai
potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah
besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya
perbedaan potensial oksidasi reduksi (E0) atau potensial transfer elektron memungkinkan
elektron mengalir dari unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih
rendah) ke unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
15/23
15
elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran dalam
mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya
terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradien pH dan potensial listrik
transmembran yang kemudian mendorong proton mengalir kembali kedalam matriks melalui
suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien
proton pada membran dalam mitokondria.
Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer elektron dari
NADH atau FADH 2 kepada oksigen melalui serangkaian pengemban elektron. Proses ini adalah
sumber utama pembentukan ATP pada organisme aerob. Pembentukan ATP dalam glikolisis
sempurna glukosa menjadi CO 2 dan H2 O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari
proses fosforilasi oksidatif. Komplek-komplek enzym yang terangkai pada membran dalam
mitokondria untuk pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH 2 ke oksigen
molekuler dimana terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan.
Komplek enzym tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom reduktase
dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga komplek yang lain, tidak
memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak
proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym
sebagai pompa proton yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase.
Komplek-komplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin,
kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu
susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks
mitokondria. Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q
reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah awal adalah
pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida (FMN), gugus
prostetik komplek ini, menjadi bentuk tereduksi, FMNH 2 . Elektron kemudian ditransfer dari
FMNH 2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis kedua gugus prostetik dalamNADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q,
dikenal juga sebagai ubiquinon.
Ubiquinon mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi
kedua terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH 2 ) yang terikat
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
16/23
16
enzym. Pasangan elektron pada QH 2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S) kedua yang
ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil dalam inti hidrofobik
membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini menyebabkan terpompanya empat H + dari
matriks kesisi sitosol membran dalam mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui.
Ubiquinol ( QH 2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH 2 enzym-enzym
flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian dari komplek
suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein integral membran dalam
mitokondria. FADH 2 tidak meninggalkan komplek, elektronnya ditransfer kerumpun belerang-
besi dan kemudian ke Q untuk masuk dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain
seperti gliserol fosfat dehidrogenase dan asil-ko-A dehidrogenase yang membentuk gugus
prostetik tereduksi FADH 2 , elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut
flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein). Selanjutnya ETF
memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk masuk rantai pernapasan dalam
bentuk QH 2. Berbeda dengan komplek I, komplek II dan enzym lain yang mentransfer elektron
dari FADH 2 ke Q tidak memompa proton karena perubahan energi bebas dari reaksi yang
dikatalisanya terlalu kecil. Itulah sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH 2 lebih
sedikit dari pada melalui NADH.
Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase atau ubiquinol-
sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc 1atau disebut juga komplek III. Sitokrom
merupakan protein pemindah elektron yang mengandung heme sebagai gugus prostetik.
Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer elektron dari QH 2 kesitokrom c dan secara
bersamaan memompa proton sebanyak dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua
sitokrom yaitu b dan c 1 dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai
polipeptida lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c 1
yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya. Sitokrom oksidase,
komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai pernapasan, mengkatalisis transferelektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase
mengandung dua gugus heme yang berbeda dari heme pada sitokrom c dan c 1 karena gugus
rantai samping hemenya dan ikatannya pada enzym secara non kovalen.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
17/23
17
Heme komplek ini dikenali sebagai heme a dan heme a 3, karenanya komplek ini juga
disebut sitokrom aa 3 . Selain heme komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal
dengan Cu A dan Cu B. Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA
dan satu lagi kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah
menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan ekseptor elektron terminal yang ideal.
Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak termodinamik yang besar untuk
fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton empat H+ kesisi sitosol dari membran. Sejumlah
ATP yang dibentuk pada peristiwa fosforilasi oksidatif dirantai pernapasan tidak begitu pasti
karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP dan proses transport metabolite tidak harus
dalam jumlah bulat atau bernilai tetap. Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari
matriks kesisi sitosol membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron,
masing-masing adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui
ATP sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu H+
tambahan. Dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran sepasang elektron
dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap komplek III, misalnya yang
berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira 1,5 ATP per pasangan elektron.
Kecepatan fosforilasi oksidatif ditentukan oleh kebutuhan ATP. Transport elektron terangkai erat
dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai pernapasan ke oksigen bila tidak ada
ADP yang secara simultan mengalami fosforilasi menjadi ATP.
Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber elektron lain dengan
potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting dalam menentukan kecepatan
fosforilasi oksidatif adalah kadar ADP. Kecepatan konsumsi oksigen oleh mitokondria
meningkat tajam bila ditambahkan ADP dan kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan
sudah difosforilasi menjadi ATP. Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi.
Kepentingan fisiologis mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai
dan dengan demikian fosforilasi oksidatif terangkai dengan penggunaan ATP. Elektron tidakmengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak diperlukan.
Transfer elektron dalam rantai pernapasan dapat dihambat oleh banyak inhibitor spesifik.
Inhibitor-inhibitor ini dibagi menjadi tiga golongan yaitu inhibitor rantai pernapasan, inhibitor
fosforilasi oksidatif dan pemutus rangkaian (uncoupler) fosforilasi oksidatif.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
18/23
18
Amobarbital (barbiturat), pierisidin A (antibiotik), insektisida dan rotenon (racun ikan)
menghambat transfer elektron dalam NADH-Q reduktase dengan menyekat pemindahan elektron
dari Fe-S ke Q. Karboksin dan TTFA menghambat aliran elektron dalam suksinat-Q reduktase,
sedangkan malonat merupakan inhibitor kompetitif dari enzym suksinat dehidrogenase.
Dimerkaprol dan antimisin A menghambat elektron dari sitokrom b dalam sitokrom reduktase.
Racun klasik seperti H2S, karbon monoksida (CO), sianida (CN-) dan azida (N3-) menghambat
sitokrom oksidase dan dapat menghentikan respirasi secara total. Oligomisin (antibiotik)
menghambat fosforilasi dan dengan begitu juga menghambat oksidasi sedangkan atraktilosida
dan asam bongkrek menghambat pengangkutan ADP kemitokondria dan ATP keluar
mitokondria, sehingga menganggu fosforilasi oksidatif. Senyawa-senyawa pemutus rangkaian
memisahkan proses oksidasi dalam rantai pernapasan dengan proses fosforilasi. Pemisahan ini
menyebabkan respirasi menjadi tak terkendali, karena konsentrasi ADP dan ortofosfat tidak lagi
membatasi laju respirasi . senyawa-senyawa ini antara lain adalah dinitrofenol, dinitrokresol,
pentaklorofenol dan yang memiliki daya paling kuat sampai seratus kali lebih besar dari yang
lain adalah CCCP (klorokarbonil sianida phenilhidrazon).
Elektron dari NADH sitosol
Membran dalam mitokondria tidak permeabel terhadap NADH dan NAD+. NADH yang
terbentuk pada glikolisis disitosol, pada oksidasi gliseraldehid 3-fosfat, harus dioksidasi kembali
menjadi NAD+ untuk kelangsungan glikolisis. Bagaimana NADH sitosol dapat dioksidasi
melalui rantai pernapasan bila tidak dapat masuk kemitokondria? Pemecahannya adalah
elektronnya saja yang dibawa melintasi membran mitokondria. Salah satu pembawa adalah
gliserol 3-fosfat yang dapat menyebrangi membran luar mitokondria. Langkah pertama dalam
sistem ini adalah pemindahan elektron dari NADH ke dihidroksiaseton fosfat membentuk
gliserol 3- fosfat yang dikatalisa oleh gliserol 3-fosfat dehidrogenase. gliserol 3-fosfat berdifusi
kedalam mitokondria dan dioksidasi kembali menjadi dihidroksiaseton fosfat pada permukaan
luar membran dalam mitokondria. Sepasang elektron dari gliserol 3- fosfat ditransfer kegugus
prostetik gliserol dehidrogenase mitokondria. Enzym ini berbeda dengan enzym serupa yang ada
disitosol, karena menggunakan FAD dan bukan NAD sebagai akseptor elektron selain itu juga
merupakan protein transmembran. Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk kemudian berdifusi
kembali kedalam sitosol untuk melengkapi sistem angkut ini. Flavin tereduksi dalam
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
19/23
19
mitokondria memindahkan elektronnya kepembawa elektron Q dan masuk rantai pernapasan
dalam bentuk QH2. Akibatnya hanya terbentuk 1,5 ATP dan bukan 2,5 ATP bila NADH sitosol
yang dioksidasi dalam rantai pernapasan diangkut oleh gliserol 3-fosfat. Penggunaan FAD
memungkinkan elektron dari NADH sitosol ditranspor kedalam mitokondria melawan gradien
konsentrasi NADH , walaupun untuk itu , sistem angkut ini harus merugi satu ATP dibanding
bila sistem menggunakan NAD +.
Sistem angkut ini terutama berperan pada otot terbang serangga yang dapat
mempertahankan kecepatan fosforilasi oksidatif yang sangat tinggi. Dalam jantung dan hati,
elektron dari NADH sitosol dibawa kedalam mitokondria melalui sitem angkut malat-aspartat,
yang menggunakan dua penggemban membran dan empat enzym. Diawali dengan transfer
elektron dari NADH sitosol ke oksaloaetat, membentuk malat, yang kemudian melintasi
membran dalam mitokondria dan dioksidasi kembali melalui NAD+ dalam matriks mitokondria
membentuk NADH. Karena oksaloasetat yang dibentuk tidak mudah melintasi membran dalam
mitokondria, diperlukan reaksi transaminasi untuk membentuk aspartat, yang dapat diangkut
kesisi sitosol. Berbeda dari sistem angkut gliserol fosfat , NADH hanya dapat dibawa kedalam
mitokondria bila ratio NADH / NAD+ disitosol lebih tinggi dari pada dimatriks mitokondria.
Protein pengangkut dalam mitokondria
Mitokondria merupakan organel yang berbentuk lonjong, biasanya dengan panjang
kurang lebih dua mikrometer dan diameter setengah mikrometer. Mitokondria mengandung
susunan rantai pernapasan, enzym-enzym siklus asam sitrat dan enzym-enzym oksidasi asam
lemak. mitokondria memiliki dua sistem membran, membran luar dan membran dalam yang luas
dan berlipat-lipat. Lipatan-lipatan pada membran dalam disebut krista. Dua kompartemen dalam
mitokondria yaitu ruang antar membran (ruang antara membran dalam dan membran luar
mitokondria) dan matriks yang dibatasi membran dalam. Membran luar cukup permeabel untuk
sebagian besar molekul kecil dan ion, karena mengandung banyak porin, suatu proteintransmembran dengan pori besar. Sebaliknya hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat
menembus membran dalam. Sekelompok besar protein transport mengangkut metabolit seperti
ATP dan sitrat, melalui membran dalam kedalam matriks dan sebaliknya. Kedua sisi membran
dalam disebut sisi matriks (sisi negatif) dan sisi sitosol (sisi positif) karena potensial membran
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
20/23
20
antara dua sisi tersebut. Sisi ruang antar membran dikatakan sisi sitosol karena dapat dicapai oleh
hampir semua molekul kecil dalam sitosol.
ATP dan ADP tidak berdifusi bebas melintasi membran dalam mitokondria. Suatu
protein transport spesifik, ATP-ADP translokase (pembawa adenin nukleotida), memungkinkan
molekul yang tinggi muatan ini menyebrangi sawar permeabilitas membran dalam mitokondria.
Aliran ATP dan ADP terangkai secara antiport, ADP masuk matriks bila ATP keluar matriks
mitokondria, dan sebaliknya. Pertukaran ATP-ADP sangat banyak mengunakan energi, kurang
lebih seperempat energi yang dihasilkan pada transfer elektron melalui rantai pernapasan.
Beberapa protein pengangkut atau pengemban mitokondria lain untuk ion dan metabolite
bermuatan bekerja dengan cara simport dan antiport. Pengemban fosfat, bekerja bersama dengan
translokase ATP-ADP, menyebabkan pertukaran antara Pi (sebagai ion H2PO4-) dengan OH
atau simport dari Pi dan H+ .
Kerjasama kedua pengangkut ini, menyebabkan pertukaran ADP dan Pi sitosol dengan
ATP matriks, disertai masuknya satu H+. Pengemban dikarboksilat, memungkinkan malat,
suksinat dan fumarat dikeluarkan dari mitokondria secara antiport dengan Pi. Pengemban
trikarboksilat, mengangkut sitrat dan satu proton masuk mitokondria secara antiport dengan
malat. Pengemban piruvat, membawa masuk piruvat dari sitosol kematriks mitokondria secara
simport dengan H+ atau secara antiport dengan OH-. Pengangkut ketoglutarat, membawa
masuk ketoglutarat secara antiport dengan malat.Protein-protein pengangkut mitokondria ini
dan lebih dari lima yang lainnya mempunyai struktur yang sama. Membran dalam mitokondria
bersifat permeabel bebas terhadap molekul kecil yang tidak bermuatan, seperti air, oksigen, CO2,
NH3 dan asam monokarboksilat (seperti 3-hidroksibutirat, asetoasetat, dan asetat ),sedangkan
asam lemak rantai panjang masuk mitokondria dengan pembawa karnitin.
Kreatin fosfat mengangkut fosfat energi tinggi
Gerakan ulang alik kreatin fosfat memungkinkan pemindahan cepat fosfat energi tinggi
dari mitokondria kesitosol. Gerakan ini menguatkan fungsi kreatin fosfat sebagai pendapar
energi dengan bekerja sebagai suatu sistem yang dinamis untuk pemindahan fosfat energi tinggi
dari mitokondria pada jaringan yang aktif seperti otot jantung dan otot skelet. Jumlah ATP pada
otot hanya mencukupi untuk menopang aktivitas produksi selama kurang dari satu detik. Otot
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
21/23
21
vertebrata mengandung gudang fosfat energi tinggi dalam bentuk kreatin fosfat (fosfokreatin),
yang dapat dengan mudah mentransfer fosfat energi tingginya ke ADP membentuk ATP.
Kreatin fosfat mempertahankan konsentrasi ATP tinggi selama periode kerja otot.
Kreatin kinase yang ada pada ruang antar membran mitokondria, mengkatalisa
pemindahan fosfat energi tinggi dari ATP kepada kreatin. Selanjutnya, kreatin fosfat yang
terbentuk diangkut kesitosol melalui porin (pori-pori protein) yang terdapat pada membran luar
mitokondria. Isozym kreatin kinase yang berbeda mengantarai pemindahan fosfat energi tinggi
ke dan dari berbagai sistem yang menggunakan atau menghasilkannya. CKa, kreatin kinase yang
bertanggung jawab terhadap kebutuhan ATP yang besar, seperti kontraksi otot.
CKc, kreatin kinase untuk mempertahankan keseimbangan antara kreatin dan kreatin fosfat, juga
keseimbangan ATP dan ADP. CKg, kreatin kinase yang menggabungkan glikolisis
pada kreatin untuk sintesa kreatin fosfat. Dan CKm, kreatin kinase mitokondria yang
memperantarai pembentukan kreatin fosfat dari ATP yang terbentuk melalui fosforilasi
oksidatif. Kreatin fosfat + ADP + H+ ATP + kreatin, energi bebas standart
hidrolisa kreatin fosfat adalah 10,3 kkal/mol, dibandingkan dengan hidrolisa ATP yang 7,3
kkal/mol maka, perubahan energi bebas standart pada pembentukan ATP
dari kreatin fosfat adalah 3 kkal/mol. Potensial transfer fosforil kreatin fosfat yang lebih tinggi
dari ATP, menyebabkan kreatin fosfat menjadi dapar fosfat energi tinggi yang sangat efektif.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
22/23
22
Kesimpulan
1. Reaksi berlangsung spontan bila terjadi pelepasan energi bebas (tG negatif) yaitu reaksitersebut bersifat eksergonik, dan jika tG positif, reaksi hanya berlangsung bila diperoleh
energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik.
2. ATP adalah zat perantara penukar energi bebas, yang merangkaikan proses-proses yangbersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik.
3. Enzym oksidase dan dehidrogenase memiliki peran utama dalam proses rantaipernapasan.
4. Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan menggunakan potensial energi darigradien proton untuk mensintesa ATP dari ADP dan Pi. Dengan demikian jelas terlihat
bahwa rangkaian reaksi oksidasi terangkai erat dengan fosforilasi.
5. Terdapat sejumlah senyawa kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi oksidasi danperistiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi.
6. Terdapat protein pengangkut khusus untuk perlintasan beberapa ion dan metabolit padamembran mitokondria.
-
7/22/2019 Bio Energi Tika
23/23
DAFTAR PUSTAKA
1. Champe P C PhD, Harvey R A PhD. Lippincotts Illustrated Reviews:Biochemistry 2nd .1994 : 6172
2. Lehninger A, Nelson D, Cox M M. Principles of Biochemistry 2nd 1993 : 364 -394
3. Murray R K, et al. Harpers Biochemistry 25th ed. Appleton & Lange. America2000 : 123 - 148
4. Stryer L.1995. Biochemistry 4th : 184187 ; 443451 ; 488498 ; 529 - 553
top related