BIOENERGETIKADAN TRANSPOR

ELEKTRON

dr. Haris Darmawan

Bioenergetika = Termodinamika Biokimia Ilmu pengetahuan yang mempelajari

perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia

Memanfaatkan beberapa gagasan dasar bidang termodinamika perubahan energi dasar (∆G)

Perubahan energi bebas memungkinkan dilakukan pengukuran energetik suatu reaksi kimia sehingga dapat memperkirakan apakah suatu reaksi dapat berlangsung

Bioenergetika hanya menyangkut keadaan energi pada awal dan akhir komponen reaksi dan bukan mengenai mekanisme atau berapa lama waktu yang diperlukan agar terjadi perubahan kimia

Energi bebas Arah dan perluasan proses reaksi kimia ditentukan oleh

derajat perubahan dua faktor selama terjadi reaksi Entalpi (∆H) : mengukur perubahan kandungan panas

pereaksi dan produk Entropi (∆S) : mengukur perubahan pereaksi dan produk

secara acak atau tidak teratur Sehingga, dapat ditentukanlah faktor ketiga Energi bebas (G) : yang dapat memperkirakan arah

berlangsungnya suatu reaksi spontan

∆G=∆H-T∆S ∆G :

energi yang tersedia untuk bekerja Mendekati nilai nol saat reaksi menuju kesetimbangan Memperkirakan apakah reaksi menguntungkan

∆H : Perubahan entalpi panas yang dilepaskan atau diserap selama reaksi

∆S : Perubahan entropi

Secara matematis

A B B A

Endergonic Vs Exergonic

Perubahan Energi BebasA B ∆Gº : perubahan energi bebas standar, perubahan energi pada

saat pereaksi dan produk berada pada konsentrasi 1 mol/L ∆G : paling umum, karena dapat memperkirakan perubahan

energi bebas dan juga arah reaksi pada konsentrasi tertentu produk dan pereaksi

∆G<0 : reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (eksergonik).

∆G>0 : Reaksi berlangsung hanya jika diperoleh energi bebas (endergonik)

∆G=0 : sistem dalam kesetimbangan

∆G bergantung pada konsentrasi pereaksi dan produk

∆G reaksi A B bergantung pada konsentrasi pereaksi dan produk, pada suhu dan tekanan yang konstan, didapatkan persamaan :

∆G = ∆Gº + RT ln (B)/(A) ∆Gº : perubahan energi bebas standar R : konstanta gas (1,987 kal/molº) T : suhu absolut (ºK)

Perubahan energi bebas standar, ∆Gº

∆Gº disebut sebagai perubahan energi bebas standar karena setara dengan perubahan energi bebas, ∆G, dalam keadaan standar - yakni bila konsentrasi pereaksi dan produk dijaga tetap pada konsentrasi 1 mol/L

∆Gº hanya dapat diperkirakan dalam beberapa keadaan standar

Hubungan antara ∆Gº dan Keq

∆Gº dari dua reaksi yang berurutan bersifat aditif ∆G jalur bersifat aditif

ATP Sebagai Pembawa Energi

ATP : molekul adenosin (adenin + ribosa) yang terikat dengan tiga gugus fosfat

ATP ADP + P ∆Gº = -7300 kal/mol Reaksi atau proses yang memiliki ∆G positif yang besar

seperti pergerakan ion melawan gradien konsentrasi antara kedua sisi membran sel, mungkin terjadi dengan adanya perangkaian gerakan endergonik ion yang disertai dengan proses kedua yang spontan dengan ∆G negatif yang cukup besar, seperti hidrolisis ATP

Perangkaian (coupling) Endergonik dan Eksergonik

Reaksi endergonik tidak bisa berdiri sendiri Dicoupling dg reaksi eksergonik Mekanisme Coupling:

Melalui suatu intermediet bersama (I) Menyintesis senyawa yang memiliki potensial

energi tinggi

Mekanisme Coupling

1. Melalui suatu intermediet bersama (I)

A + C I B + D Dua reaksi kimia dikatakan memiliki zat antara apabila

reaksinya terjadi secara berurutan sehingga produk dari reaksi pertama menjadi substrat reaksi kedua

Kebanyakan reaksi menggunakan ATP untuk membentuk zat antara

Reaksi seperti ini dapat menimbulkan pemecahan ATP (pemindahan gugus fosfat ke molekul lain)

Reaksi lain menyebabkan sintesis ATP melalui pemindahan fosfat dari zat antara berenergi tinggi ke ADP untuk membentuk ATP

RANTAI TRANSPOR ELEKTRON

Mitokondria Struktur mitokondria

Membran Eksterna : permeabel Membran Interna :

Tidak permeabel thd sebagian besar ion kecil, termasuk H+, Na+, K+, molekul kecil (ATP, ADP, piruvat, dan metabolit penting

Kompleks ATP sintase : Kompleks protein (partikel) di membran dalam bagian dalam,

meninjol seperti bulatan ke arah matriks Matriks mitokondria :

Tdd : protein, enzim, NAD+, FAD, RNA-DNA mitokondria Pabrik penghasil energi :

Oksidasi asam lemakOksidasi piruvatSiklus Kreb’sRantai respirasi & fosforilasi oksidatif

Rantai Transpor Elektron Metabolisme :

glukosa zat antara CO2 + H2O Zat antara menghasilkan elektron yang akan “disumbangkan”

ke koenzim (NAD+ dan FAD) Koenzim diubah menjadi koenzim reduksi berenergi tinggi

(NADH + FADH2) Koenzim reduksi akan menyumbang elektron ke pembawa

elektron khusus (membentuk suatu rantai transpor elektron) Disertai dengan kehilangan energi bebas yang akan

digunakan untuk membentuk ATP (fosforilasi oksidatif) Dan sebagian dibuang dalam bentuk panas

Pengaturan rantai transpor elektron

Membran mitokondria bagian dalam dibagi menjadi lima kompleks enzim yang terpisah, kompleks V mengatalisis sintesis ATP

Setiap kompleks menerima atau menyumbang elektron ke pembawa elektron yang relatif bergerak seperti koenzim Q dan sitokrom c

Setiap pembawa rantai transpor elektron dapat menerima elektron dari donor elektron dan selanjutnya dapat menyumbang elektron ke rantai pembawa berikutnya

Pada akhirnya, elektron akan bergabung dengan oksigen dan proton untuk membentuk air

Kebutuhan terhadap oksigen rantai respiratorik

Reaksi Rantai Transpor Elektron

Prinsipnya adalah reaksi redoks Pembentukan NADH NADH dehidrogenase Koenzim Q Sitokrom Sitokrom a + a3 Inhibitor di tempat tertentu

Inhibitor Rantai Respirasi Antara FeS dg Q : amobarbital, pierisidin A,

insektisida, rotenon. Antara sit b dan c : dimerkaprol, antimisin A Sitokrom oksidase : H2S, CO, CN-

Antara FAD ke Q : Karboksin Oligomisin : blokade proses fosforilasi oksidatif Atraktilosid : menghambat transport ADP dan ATP

melalui membran mitokondria Senyawa uncoupler (dinitropenol, dinitrokresol,

pentakloropenol, CCCP) : memisahkan proses oksidasi pada rantai respirasi dan fosforilasi.

Inhibitor Rantai Respirasi

TO BE CONT….

Fosforilasi Oksidatif Di dalam mitokondria juga terdapat mesin

untuk menangkap energi bebas yang dilepas sebagai fosfat berenergi tinggi

Sistem dalam mitokondria yang memasangkan rantai respirasi dengan pembentukan intermediet berenergi tinggi (ATP) disebut fosforilasi oksidatif

Rantai Respirasi - Fosforilasi Oksidatif Menghasilkan Energi

Energi bebas yang dilepas ditangkap ADP membentuk ATP

Oksidasi NADH menghasilkan 3 ATP Oksidasi FADH2 menghasilkan 2 ATP

Teori kemiosmotik (Mitchel)

Energi hasil oksidasi pada rantai respirasi dipasangkan dengan translokasi H+ dari bagian dalam ke bagian luar membran interna mitokondria

Selisih potensial elektrokimia yang terjadi, digunakan untuk menggerakkan mekanisme yang bertanggung jawab atas pembentukan ATP (ATP sintase)

Setiap komplek rantai respirasi (I, III, IV) bekerja sebagai pompa proton

28

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.

29

Otot 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.

30

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.

31