bioenergenetika, oksidasi biologis, rantai respiratorik

Presentasi BiokimiaHG 4

BioenergenetikaOksidasi Biologis

Rantai Respiratorik

FG 1Hana Rotua SelviM. Heru Geofani

Felita Dwinugraheni

Bioenergenetika

Hubungan antara perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi , dan perubahan entropi (ΔS) pada kondisi suhu dan tekanan yang konstan → disampaikan lewat persamaan yangmenggabungkan 2 kaidah termodinamika :

ΔG = ΔH− TΔS Untuk keadaan standar dengan pH 7,0ΔG°' = -RT lnK'eqKeterangan:• Δ H adalah perubahan entalpi ( total energi) pada sistem tersebut• T adalah suhu absolut pada saat proses sedang berlangsung• ΔS adalah perubahan dalam entropi semesta, termasuk sistem yang sedang beraksi

Reaksi Endergonik dan Eksergonik

ENERGI KOPEL• memfasilitasi reaksi endergonik menggunakan energi yang dilepaskan

dari reaksi eksergonik lain, proses yang disebut energi kopel. Dibawah ini merupakan bentuk yang paling sederhana dari perangkaian reaksi eksergonik dan endergonik.

Gambar I

Gambar III

Gambar II

AdeninRibosa

Ion Fosfat

+=

+

~P, ATP ADP AMP

ATP mengandung dua gugus fosfat berenergi tinggi, ADP mengandung satu fosfat berenergi tinggi, sementara AMP termasuk fosfat berenergi rendah.

Tiga Sumber Utama ̴̴℗ dalam Konservasi Energi atau Penangkap Energi:

Siklus KrebsGlikolisis

FosfatogenFosforilasi Oksidatif

FG-2Annisa Diana Pratiwi

Cyril MuhammadPutu Pradnya Paramita

Oksidasi Biologis

• Oksidasi didefinisikan sebagai pengeluaran elektron dan reduksi sebagai penambahan elektron. Oksidasi TIDAK selalu menggunakan Oksigen, misal Dehidrogenasi.

• Contoh : oksidasi ion fero menjadi ion feri, reaksinya sebagai berikut :

1. Reaksi REDOKS (REDUKSI & OKSIDASI) memerlukan enzim OKSIDOREDUKTASE

2. Oksidasi biologi pada makhluk hidup tingkat tinggi mutlak memerlukan adanya Oksigen. Pada makhluk tertentu (bakteri anaerob) mampu melakukan oksidasi biologi tanpa Oksigen bebas.

3. Kemampuan suatu senyawaan melakukan pertukaran electron (memberi atau menerima electron) disebut sebagai POTENSIAL REDOKS (dinyatakan dalam satuan volt)

Fe2+ Fe3+

ion fero ion feri

e- (electron)

Potensial Redoks• Dalam reaksi yang melibatkan oksidasi dan reduksi,

perubahan energi bebas setara dengan kecenderungan reaktan melepas/menerima elektron.

• Potensial redoks suatu sistem (E’0 ) dengan elektroda hidrogen pada pH= 0 dinyatakan E’0 = 0,0 volt

• Untuk sistem biologis, E’0 biasanya dinyatakan pada pH 7,0 sebesar -0,42 volt.

Potensial Redoks pada Sistem Oksidasi MamaliaSistem E’0 Volt

H+/H2 -0,42

NAD+/NADH -0,32

Lipoat,oks/red -0,29

Asetoasetat/3-hidroksibutirat -0,27

Piruvat/laktat -0,19

Oksaloasetat/malat -0,17

Fumarat/suksinat +0,03

Sitokrom b; Fe3+/Fe2+ +0,08

Ubikuinon; oks/red +0,10

Sitokrom c; Fe3+/Fe2+ +0,22

Sitokrom a; Fe3+/Fe2+ +0,29

Oksigen/air +0,82

Enzim dan Koenzim dalam Redoks

• Oksidoreduktase• Dibagi menjadi 4 kelompok:

• Oksidase• Dehidrogenase• Hidroperoksidase• Oksigenase

Oksidase

OksidaseEnzim oksidase mengkatalisis

pengeluaran hidrogen dari suatu substrat yang menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen atau elektron. Enzim ini menghasilkan air atau hidrogen peroksida sebagai produk hasil.

Sitokrom OksidaseSitokrom oksidase memiliki gugus prostetik heme. Enzim ini

adalah komponen terminal pada rantai pembawa respiratorik yang terdapat di mitokondria.

Enzim ini adalah komponen terminal pada rantai pembawa respiratorik yang terdapat di mitokondria.

Penghambat - Karbon monoksida- Sianida - Hidrogen sulfida

Jika terjadi penghambatan

Keracunan dengan hambatan respirasi seluler

FlavoproteinFlavoprotein mengandung flavin mononukleotida (FMN)

atau flavin adenin dinukleotida (FAD) sebagai gugus prostetik.

Dehidrogenase tidak dapat menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim ini memiliki 2 fungsi utama yaitu:1. Berperan dalam pemindahan hidrogen dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam reaksi reduksi-oksidasi berpasangan.2. Sebagai komponen dalam rantai respiratorik pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.

Oksidasi suatu metabolit yang dikatalisis oleh enzim-enzim dehidrogenase

Contoh dari enzim dehidrogenase adalah suksinat dehidrogenase, asil-KoA dehidrogenase, gliserol-3-fosfat dehidrogenase, semua sitokrom kecuali sitokrom oksidase.

Dehidrogenase bergantung pada koenzim nikotinamide

2 macam koenzim dari vitamin niasin:

1. NAD+ : nikotinamide adenine dinukleotida

2. NADP+ : nikotinamide adenine dinukleotida phosphate

Dehidrogenase-NAD+ mengkatalisa metabolisme oksidatif khususnya glikolisis, siklus

asam sitrat dan rantai respirasi mitokondria.

Dehidrogenase-NADP+ mengkatalisa sintesis reduktif (seperti: sintesa asam lemak),

sintesis steroid dan di jalur pentosa fosfat.

MEKANISME OKSIDASI KOENZIM NIKOTINAMIDA

Dehidrogenase bergantung pada riboflavin

2 gugus flavin yang berkaitan dengan berbagai dehidrogenase:

1. FMN : Flavin mono nukleotida

2. FAD : Flavin adenin dinukleotida

Contohnya:

•NADH dehidrogenase: sebagai pembawa electron antara NADH dan komponen -

komponen dengan potensial redoks yang lebih tinggi/ elektropositif (FMN)

•Succinate dehydrogenase, acyl-CoA dehydrogenase, mitochondrial glycerol-3

phosphate dehidrogenase: mentransfer elektron langsung dari substrat ke rantai

respiratorik

•Elektron-Transferring Flavoprotein (ETF): pembawa perantara antara acyl-coA

dehydrogenase dan rantai respiratorik

•Enzim dihidro-lipoil dehidrogenase: mengkatalisa dehidrogenase lipoat tereduksi yaitu

produk antara dekarboksilasi oksidatif piruvat dan α-ketoglutarat.

Reduksi cincin isoaloksazin nukleotida flavin

Michelle Angellike YauwlyPurnama Wulansari N

Ratu Farah NSabrina Nur Amalia

FG 3

Oksidasi Biologis Lanjutan

Tipe-tipe SOD

• SOD Tembaga, Zinc (Cu, Zn SOD)

• SOD Mangan (Mn SOD)

• SOD Besi (Fe SOD)

• SOD Nickel (Ni SOD)

Glutation Peroksidase (GPx)

Tubuh memiliki mekanisme tersendiri dalam mekanisme pertahanan terhadap radikal bebas. Salah satu garis pertahanan yang penting adalah sistem enzim, yaitu berupa SOD, katalase, dan glutation peroksidase(gpx).

Glutation peroksidase (GPx) adalah peroksidase yang mengandung selenium (Se) pada sisi aktifnya. Enzim ini bekerja dengan memecah H2O2 dan berbagai hidro serta lipid peroksida dengan cara mereduksinya menjadi H2O. Peristiwa tersebut melibatkan reaksi oksidasi-reduksi dari glutation tereduksi (GSH) (Winarsi, 2007; Suhartono, 2007).

Reaksi : H2O2 + 2GSH GSSG + 2 H2O

Selain mengkatalis H2O2, GPx juga dapat memecah senyawa peroksida lainnya, yaitu dengan menggunakan GSH sebagai donor hidrogen. Hasil reduksi semua senyawa peroksida tersebut adalah alkohol (Suhartono, 2007).

Reaksi : LOOH + 2GSH GSSG + 2H2O +LOH

GPx berperan penting dalam melindungi sel, melalui reaksi seperti di atas maupun melalui peroksida organik yang terbentuk dalam oksidasi kolesterol dan asam lemak. Aktivitas GPx mampu mereduksi 70% peroksida organik dan lebih dari 90% H2O2. Aktivitas GPx juga ditemukan dalam mitokondria, plasma, dan saluran pencernaan (Winarsi, 2007).

GPx dalam melindungi eritrosit terhadap hemolisis dibantu oleh lintasan pentose fosfat. Lintasan ini menyediakan NADPH untuk mereduksi GSSG sebagai detoksifikasi terhadap SOR. Hasil reduksi GSSG adalah GSH yang dikatalisis oleh enzim gluthation reduktase, yaitu enzim flavoprotein yang mengandung FAD. Selanjutnya, NADP+ yang terbentuk akan dikatalisis oleh enzim glukosa-6-fosfat dehidrogenase. (Suhartono, 2007):

Katalase

• Katalase adalah salah satu enzim yang ditemukan baik di hewan maupun tumbuhan.

• Enzim katalase merupakan suatu hemoprotein yang mengandung empat gugus heme.

• Enzim katalase memiliki reaksi :

2H2O2 --------------> 2H2O2 + O2

Keterangan : Enzim katalase menggunakan satu molekul H2O2 sebagai donor elektron substrat dan molekul H2O2 lainnya sebagai oksidan atau akseptor elektron

Katalase

• Kegunaan enzim katalase adalah menghancurkan hidrogen peroksida yang amat beracun bagi sel dengan menguraikannya menjadi air (H2O) dan oksigen (O2) yang tidak berbahaya.

• Katalase dalam tubuh ditemukan di darah, sumsum tulang, membran mukosa, ginjal dan hati. Katalase juga di temukan di organel sel peroksisom, bersama dengan oksidase.

Oksigenase

• Oksigenase merupakan salah satu kelompok enzim oksidoreduktase yang berfungsi untuk membantu oksigen molekular bergabung dengan berbagai zat.

• Oksigenase berhubungan dengan sintesis atau penguraian berbagai jenis metabolit. Enzim golongan ini mengatalisis penggabungan oksigen ke dalam suatu molekul substrat dalam dua tahap: (1) oksigen berikatan dengan enzim di bagian aktifnya, dan (2) oksigen yang terikat tersebut direduksi atau dipindahkan ke substrat. Oksigenase dapat dibagi menjadi dua subkelompok, dioksigenase dan monooksigenase.

Dioksigenase

Dioksigenase menggabungkan kedua atom oksigen molekular ke dalam substrat. Reaksi dasar yang dikatalisis oleh dioksida diperlihatkan di bawah:

A+O2 AO2

Contoh mencakup enzim hati, homogentisat dioksigenase dan 3-hidroksiantranilat dioksigenase yang mengandung besi; dan L-triptofan dioksigenase (triptofan pirolase) yang menggunakan heme.

Monooksigenase

Monooksigenase (hidroksilase, oksidase fungsi-campuran) hanya memasukkan satu atom oksigen molekular ke dalam substrat. Atom oksigen yang lain direduksi menjadi air dengan memerlukan suatu donor elektron atau kosubstrat (Z) agar reaksi ini berlangsung.

Sitokrom P450 adalah monooksigenase yang penting untuk detoksifikasi banyak obat & untuk hidroksilasi steroid. Sitokrom P450 adala superfamili penting monooksigenase yang mengandung heme, dan lebih dari 50 enzim golongan ini telah ditemukan dalam genom manusia. Sitokrom ini terutama bertempat di RE hati dan usus, tetapi juga ditemukan di mitokondria beberapa jaringan.

Rantai Respiratorik

Annisa ZahraChristoffel William Putra Untu

Dya IqthaFaradina Astari Munandar

Mitokondria

• Membran luar: permeabel pada molekul kecil dan ion.

• Membran dalam: impermeable pada kebanyakan molekul dan ion, termasuk ion H+. Terdapat pula komponen rantai respiratorik dan ATP Sintase.

• Intermembran: terdapat adenylate kinase dan kreatin kinase.

Struktur

Membran dalam Intermembran Membran luar

Komponen Rantai Respiratorik

1. Kompleks I : NADH-Q oksidoreduktase (tempat dipindahnya elektron dari NADH ke koenzim Q/ubikuinon/Q)

2. Kompleks III : Q-sitokrom c oksidoreduktase (meneruskan elektron dari ubikuinon ke sitokrom c)

3. Kompleks IV : Sitokrom c oksidase (menuntaskan rantai dengan memindahkan elektron ke O2 sehingga membentuk H2O)

4. Kompleks II : Suksinat Q reduktase (menyalurkan elektron yang lebih positif dari NAD+/NADH; misalnya suksinat; ke ubikuinon)

• Q (Ubikuinon) : Penghantar elektron menuju Kompleks III

• Sit c (Sitokrom c): Penghantar electron dari kompleks III ke kompleks IV

• Flavoprotein• Protein besi belerang non

heme (Fe-S)

Transpor Ekuivalen Pereduksi

Harper’s Illustrated Biochemistry

KOMPLEKS INADH yang berasal dari glikolisis, siklus asam sitrat akan melepaskan elektronnya (e-) kepada kompleks protein I yang disebut NADH-Q oksireduktasi. Kompleks ini merupakan yang mengkatalis pemindahan electron dari NADH ke Q. NADH+Q+5H+ matriks NAD +QH2 +4H+

ruang antarmembran

KOMPLEKS IIQ tidak hanya menerima electron dari kompleks 1 saja melainkan juga dari kompleks II. Elektron yang berasal dari kompleks II ini berasal dari FADH2 yang dibentuk sewaktu terjadinya konversi suksinat menjadi fumarat dalam siklus asam sitrat. Selanjutnya elektron ditranspor melalui Fe-S ke Q. Aliran elektron dari kompleks II bukan merupakan pompa proton karena tidak memacu dikeluarkanya proton (H+) menuju ruang antar membrane.Gliserol-3-fosfat (hasil penguraian triasigliserol dari proses glikolisis dan Asetil KoA menyalurkan electron ke Q melalui jalur berbeda yang melibatkan flavoprotein

KOMPLEKS IIIAliran elektron yang sudah sampai di Q diteruskan ke kompleks III. Kompleks III memindahkan dua elektron dari QH2 menjadi Q, satu elektron dilepaskan ke sit c melalui Fe-S dan sit c1 satu elektron dilepaskan ke sebuah Q untuk membentuk semikuinon melalui bL dan bH disertai pembebasan 2H+ ke ruang antarmembran. Biasa disebut dengan siklus Q

Siklus Q

KOMPLEKS IVKompleks IV (Sit c oksidase) memindahkan dua elektron dari sit c dan memindahkannya ke molekul O2. Selanjutnya molekul O2 tersebut akan berikatan(tereduksi sempurna) dengan 2H+ yang dipompa melalui membrane oleh kompleks IV menjadi molekul H2O. Melibatkan gugus heme a dan a3, dan Cu. Dari 8 H+ yang dikeluarkan dari matriks, empat diantaranya digunakan untuk membuat air dan empat sisanya dipompa ke dalam ruang antarmembran.

Fosforilasi Oksidatif• adalah proses aliran elektron melalui rantai respiratorik yang menghasilkan ATP.• Kompleks I, III, dan IV bekerja sebagai pompa proton menghasilkan gradien proton.• Daya gerak proton yang dihasilkan memicu ATP sintase di membran yang jika

terdapat Pi + ADP akan membentuk ATP.

FG 5Devi Nur Islami

Mariani S.Saras RahmiatiSulastri Dachi

Rantai Respiratorik Lanjutan

Inhibitor Rantai Respiratorik• Barbiturat, contohnya seperti amobarbital menghambat

pemindahan elektron melalui kompleks I dengan menghambat pemindahan elektron dari Fe-S ke Q

• Antimisin A dan dimerkaprol menghambat rantai respiratorik dikompleks III

• Racun seperti CO2 dan sianida menghabat kompleks IV dan dapat menghentikan respirasi secara total

• Malonoat, inhibitor kompotetif kompleks II

• Atraktilosid menghambat fosforilasi oksidatif dengan menghambat pemindahan ADP kedalam dan ATP keluar mitokondria.

• Uncouplers (pemisah kopel) memisahkan oksidasi dalam rantai respiratorik dari fosforilasi. Bersifat toksik in vivo menyebabkan respirasi menjadi tifak terkendali. Pemisah kopel yang sering digunakan 2,4-dinitrofenol

• Temoginin pemisah kopel berfungsi menghasilkan panas tubuh pada neonatus dan hewan yang berhibernasi

• Oligomisin adalah antibiotik yang menghambat oksidasi dan forsforilasi sepenuhnya dengan menghambat aliran proton melalui ATP sintase

Gradien Proton• Proses Transpor elekton melintasi membran dalam mitokondria dari

hasil menjadi gradien proton elektrokimia• Gradien proton berperan penting untuk sintesis ATP• Rantai transpor elektron membentuk gradien proton mendorong proses

pembentukan ATP dalam matriks mitokondria

Mekasnisme Pembentukan ATP oleh ATP Sintase

1. ATP Sintase di membran berfungsi sebagai motor pemutar untuk membentuk ATP

2. Daya gerak proton mengaktifkan ATP Sintase di membran yang jika terdapat Pi + ADP = membentuk ATP

3. ATP Sintase terbenam di membran dalam, bersama dengan kompleks rantai respiratorik

4. Beberapa subunit protein memiliki bentuk seperti bola yang mengitari sebuah sumbu yang dikenal sebagai F1.

5. F1 melekat pada suatu kompleks protein membran yang dikenal sebagai F0 yang terdiri dari beberapa subunit protein.

6. F0 menembus membran mitokondria dan membentuk suatu kanal proton.

7. Aliran proton melalui F0 menyebabkan F0 berputar dan memicu produksi ATP di kompleks F1

1. Kompleks enzim terdiri dari sebuah subkompleks F0suatu cakram subunit-subunit protein “C”

2. Sebuah subunit γ dalam bentuk “as roda bengkok” melekat pada subkompleks F0, proton-proton yang melewati cakram unit “C” menyebabkan cakram dan subunit γ yang melekat padanya berputar

3. Subunit γ masuk ke dalam subkompleks F1 yang terdiri dari tiga subunit α dan tiga subunit β, yang melekat pada membran dan tidak berputar.

4. ADP dan Pi diserap secara bertahap oleh subunit β untuk membentuk ATP, yang dilepaskan sewaktu subunit γ yang berputar “memeras” masing-masing subunit β secara bergantian dan mengubah konformasinya

5. Oleh karena itu dihasilkan tiga molekul ATP per putaran