bioenergitika

BIOENERGETIKABIOENERGETIKABIOENERGETIKABIOENERGETIKA

BIOENERGETIKA• Thermodinamika biokimia : perubahan

energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia

• Energi bebas :bagian energi total yang tersedia untuk kerja bermanfaat

• Reaksi kimia yang berlangsung spontanenergi bebas pada produk lebih kecil dari energi bebas pada reaktanpelepasan energi

• Jumlah reaksi yang diperlukan organisme berkaitan dengan penurunan bersih energi bebas

• Sumber energi bebas pada organisme hidup adalah reaksi oksidatif

• Reaksi oksidatif menghasilkan energi yang disimpan dalam bentuk “senyawa phospat berenergi” dan sedikit dalam bentuk panas

• Hukum dasar aliran energi:1. Total energi sebuah sistem adalah konstan2. Entropi total sebuah sistem meningkat pada proses yang berlansung spontan

BIOENERGETIKA (1)

• Pada suhu dan tekanan yang konstan : hubungan perubahan energi bebas dan perubahan entropi suatu sistem adalah : G = H - T S dalam biokimia : G = E - T S dimana

G : prubahan energi bebas H : perubahan panas / entalpi E : perubahan total energi internal reaksi T : suhu absolut S : entropi

BIOENERGETIKA (2)

Bila G negative : reaksi spontan / eksergonik dan irreversible

G positive : reaksi endergonik (berlangsung bila ada energi bebas )

G nol : sistem dalam kesetimbangan• Proses endergonik harus menjadi

komponen dari sistem eksergonik-endergonik

• Dalam sistem biologi , rangkaian proses eksergonik-endergonik butuh zat antara senyawa phosfat berenergi

BIOENERGETIKA (3)

E

E

C

D

A

B

Transfer of free energy from an exergonic to an endergonic reaction via a high-energy intermediate coumpound

Chemicalenergy

A

D

BC

A + C B + D + Heat

Coupling of an exergonic to an endergonic reaction

• 1. Ikatan anhidrida : ATP , ADP 1,3biphosfogliserat

2. Ikatan enolphosfat : phosfoenolpiruvat 3. Ikatan phosfoguanidin : kreatinphosfat ,

argininphosfat 4. Lainnya : ko-A-SH , ACP , UDPG

• ATP merupakan senyawa pembawa energi tinggi utama pada sel hidup (transducer energi pada sistem eksergonik-endergonik)

Senyawa-senyawa berenergi tinggi

Exergonic reactions E

EndergonicprocessesSyntheses

Muscular contraksion

Nervous excitation

Active transport

1

2

3

4

• ATP adalah suatu nukleotida , mengandung adenin , ribosa dan tiga gugus phosfat

Berfungsi sebagai kompleks dengan Mg Depot ATP /ADP kecildikonsumsi terus menerus

dibentuk dengan kecepatan tinggi• Sumber utama gugus phosfat energi tinggi : 1. Fosforilasi oksidatif : sumber paling besar (pada

organisme aerobik)

2. Glikolisis

3. Siklus krebs

BIOENERGETIKA (4)

• ATP + AMP 2 ADP dengan bantuan adenilat kinase , reaksi ini berguna untuk : 1. Sintesa ATP

2. Phosforilasi ulang AMP menjadi ADP 3. [AMP] tinggi adalah sinyal metabolik untuk

mempercepat reaksi katabolik pembentukan ATP kembali

• ATP + ko-A-SH + R-COOH AMP + PPi +R-COOS ko-A (dengan bantuan tiokinase)

PPi + H2O 2 Pi

Interkonversi Adenilat

• Pada aktivasi asam lemak rantai panjang diatas , ATP menjadi AMP dan pirophosfat an-organik disertai hilangnya energi bebas sebagai panas

• Pirophosfat an-organik dihidrolisa menjadi 2 molekol phosfat an-organik ( reaksi ini berguna juga sebagai daur ulang phosfat)

• Senyawa-senyawa nukleosida triphosfat disintesa dari senyawa diphosfatnya dengan enzym nukleosida diphosfat kinase , contoh antara lain :


ATP + UDP ADP +UTP ATP + GDP ADP + GTP ATP + CDP ADP + CTP• Bila ATP berperan sebagai donor phosfat untuk

membentuk senyawa berenergi lainnya gugus phosfat nya menjadi berenergi lebih rendah

contoh : Gliserol + ATP Gliserol-P + ADP (dengan

bantuan giserol kinase )


INORGANICPYROPHOSPHATASE

ADENYLYLKINASE

Pi

ATP

ADP

PPIACYL – CoA

SYNTHETASE, etc

AMP

X 2

2PI

Table. Standard free energy of hydrolysis of some organophospates of biocemical importance.

COMPOUNDGO’

kJ/mol Kcal/mol

PhosphoenolpyruvateCarbomoyl phosphate1,3-Bisphophoglycerate (to 3-phosphoglycerate)Creatine phosphate

-61.9-51.4-49.3-43.1

-14.8-12.3-11.8-10.3

ATP ADP + Pi -30.5 -7.3

ADP AMP + PiPyrophosphateGlucose 1-phosphateFructose 6-phosphateAMPGlucose 6-phosphateGlycerol 3-phosphate

-27.6-27.6-20.9-15.9-14.2-13.8-9.2

-6.6-6.6-5.0-3.8-3.4-3.3-2.2

OKSIDASI BIOLOGI (1)

• Reaksi oksidasi :pelepasan elektron diikuti reaksi reduksi penerima elektron

• Potensial oksidasi – reduksi ( Eo ) : perubahan energi bebas pada reaksi oks-red yang sebanding dengan kecendrungan tiap reaktan melepas atau menerima elektron

• Pada sistem biologi Eo diukur pada PH 7 dan potensial elektroda ion H –0,42 volt tabel Eo pada beberapa sistem oksidasi

System E’O volts

H+/H 2NAD+/ NADHLipoate; ox / redAcetoacetate/ 3 – hydroxybutyratePyruvate/ lactateOxaloacetate/ malateFumarate/ succcinateCytochrome b; Fe3+/Fe2+

Ubiquinone; ox/redCytocrome c1; Fe3+/Fe2+

Cytocrome a; Fe3+/Fe2+

Oxygen/ water

-0.42-0.32-0.29-0.27-0.19-0.17+0.03+0.08+0.10+0.22+0.29+0.82

OKSIDASI BIOLOGI (2)

• Enzym dan ko-enzym yang terlibat dalam reaksi oks-red adalah enzym kelas I (oksidoreduktase ) dengan 4 sub kelas :

oksidasedehidrogenasehidroperoksidaseoksigenase

Enzym oksidase (1)

• Mengkatalisa pelepasan ion H dari substrat dan sebagai reseptor adalah O2.

• Membentuk H2O atau H2O2 sebagai produk

• Dibedakan menjadi oksidase yang mengandung tembaga dan flavoprotein

• Sitokrome oksidase ( sit.a.a3 ) adalah :suatu hem protein yang

mengandung tembagaterdapat pada mioglobin ,

hemoglobin komponen akhir rantai respirasi

Enzym oksidase (2)

• Oksidase berupa flavoprotein mengandung FMN atau FAD

• Ko-enzym terikat kuat , berikatan non kovalen dengan apoenzymnya tidak bebas berdissosiasi

• Antara lain : asam L amino oksidase ( pada ginjal ) , xantin oksidase ( pada susu,ileum, ginjal dan hati ) , aldehide oksidase ( pada hati ) dan glukosa oksidase ( pada jamur )

AH2

A H2O

1/2

O2

OXIDASE

O2

H2O

2

AH2

A

OXIDASE

(Red)

(OX)

Oxidation of a metabolite catalyzed by an oxidase (A) forming H2O, (B) forming H2O2

A B

Dehidrogenase (1)

• Tidak menggunakan O2 sebagai akseptor ion H

• Punya 2 fungsi utama : 1. Pemindah ion H dalam reaksi

oks-red yang terangkaisangat spesifik untuk substratnya ,

tapi reaksinya reversiblepada reaksi oksidasi fase an-aerob2. Komponen rantai respirasi

mengangkut elektron dari substrat ke O2

Dehidrogenase (2)

• Dehidrogenase yang terikat ko-enzym NAD

-enzym spesifik dengan ko-enzym NAD atau NADP

-ko-enzym dapat berdissosiasi bebas dari apoenzym

-umumnya mengkatalisa reaksi oks-red dalam metabolisme oksidatif ( glikolisis , TCA cycle , rantai respirasi )

-yang link NADP khas untuk sintesa reduktif ( sintesa asam lemak dan steroid ) dan PMP-shunt

Dehidrogenase (3)

• Dehidrogenase yang terikat riboflavin-sebagian besar berhubungan

dengan pengangkut elektron di atau ke dalam rantai respirasi

-pada dehidrogenasi lipoat tereduksi dalam rantai respirasi , FAD adalah carrier ion H ke NADH dehidrogenase

-beberapa enzym ini :NADH d’ase , suksinat d’ase , asil ko-A d’ase , gliserol 3 p d’ase

Dehidrogenase (4)• Dehidrogenase yang berhubungan

dengan sitokrome-semua enzym sitokrome , golongan

dehidrogenase kecuali sit.oksidase-sebagai carrier elektron dari

flavoprotein ke sitokrome oksidase pada rantai respirasi

-sitokrome adalah hem-protein (mengandung Fe++) , didalam sistem rantai respirasi dikenal atl : sit b , c1 , c , a , a3 dan dalam retikulum endoplasma terdapat sitP450 dan sit b5

AH2

A

Carrier(Red)

(OX)

Oxidation of a metabolite catalyzed by coupled dehydrogenases

(OX)

Carrier-H2

(Red)

B

BH2(Red)

(OX)

DEHYDROGENASE

SPECIFIC FOR A

DEHYDROGENASE

SPECIFIC FOR B

Hidroperoksidase (1)

• Menggunakan H2O2 sebagai substrat

• Ada 2 jenis : -peroksidase dan - katalase• Melindungi tubuh dari senyawa

peroksida yang dapat membentuk radikal bebas yang bersifat merusak membran sel dan menyebabkan artherosclerosis dan cancer

Hidroperoksidase (2)• PeroksidaseMereduksi peroksida menjadi air dengan

bantuan asam ascorbat , quinon dan sit c dengan reaksi :

H2O2 + AH2 2H2O + A

Terdapat pada tumbuhan , susu , eritrosit leukosit , trombosit serta jaringan yang terlibat dalam metabolisme eikosanoid

• KatalaseMenggunakan H2O2 sebagai donor dan

akseptor elektron dengan reaksi :2 H2O2 2H2O + O2

Role of catalase in the destruction of hydrogen peroxie

O2 2H2

OOXIDASE

CATALASE

H2O2

O2H2O2

A’H2 A’

AH2 A

Oksigenase (1)

• Mengkatalisa pengangkutan langsung dan koorporasi O2 ke molekul substrat

• Ada 2 sub kelompok : 1. Di-oksigenase / oksigen

transferaseMengkatalisa penyatuan 2 atom oksigen

ke substrat ( A + O2 AO2 )

2. Mono oksigenaseBerfungsi campuran oksidase dan

hidroksilase mengkatalisa 1 atom oksigen kesubstrat dan 1 atom lagi direduksi menjadi air

Mono oksigenase (2)Dengan reaksi :

A-H + O2 + ZH2 A-OH + H2O + Z

Membutuhkan satu ko-substrat sebagai donor elektron tambahan dimana :

Sistem mono-oksigenase sitokrome P450

(sbg ko-substrat ) dalam mikrosom sel hati melaksanakan proses hidroksilasi obat – obatan dan terdapat juga dalam mitokondria dari korteks adrenal, testis, ovarium, plasenta berhubungan dengan sintesa hormon steroid dari cholesterol

Radikal bebas super oksid (O2-)

• Dibentuk dari hasil reduksi O2

• Enzym superoksid dismutase melindungi organisme aerob dengan menghilangkan O2

- melalui reaksi :

O2- + O2

- + 2H+ H2O2 + O2

• Superoksid dismutase terdapat pada sitosol (mgdg Cu dan Zn ) serta mitokondria (mgdg- Mn) dalam semua jaringan aerob

• Pemaparan terhadap O2 atmosfir yang meningkat peningkatan kadar enzym tsb

Rantai pernapasan dan phosforilasi oksidatif (1)

• Kumpulan enzym yang terangkai dalam mitokondria untuk re-oksidasi ko-enzym tereduksi oleh kerja dehidrogenase

• Terjadi pengumpulan dan pengangkutan ekivalen pereduksi diakhiri dengan pengikatan O2 molekuler membentuk air

• Terdiri dari carrier redoks yang berjalan dari unsur yang lebih elektronegativ ke yang lebih elektropositif

DEHYDROGENASE

AH2

(Red)

A(Ox)

Carrier1

(Ox)

Carrier-H2

1(Red)

Carrier2

(Red)

Carrier2

(Ox)

Carrier3

(Ox)

Carrier-H2

3(Red)

H2O

1/2 O2

OXIDASEDEHYDROGENASE

DEHYDROGENASE

Oxidation of a metabolite by dehydrogenases and finally by an oxidase in a respiratory chain

Transport of reducing equivalents through the respiratory chain

NAD+

FpH2

NADH Fp

AH2

A

2Fe3

+

2Fe2

+

H2O

1/2O

2

Substrate Cytochromes

Flavoprotein

H+ H+ 2H+ 2H+


• Sebagian oksidasi substrat masuk kesistem melalui dehidrogenase-NAD dan sebagian lain melalui dehidrogenase-Fp

• Co-Q (ubiquinon)adalh carrier tambahan yang menghubungkan flavoprotein dengan sit.b

• Carrier tambahan lain adalah protein Fe-S (non-hem) yang terikat pada Fp dan sit b

• Sit c dan co-Q merupakan komponen yang mobile , menghubungkan kompleks lainnya yang terfiksasi


• Sit oksidase (sit a.a3) punya affinitas yang sangat tinggi terhadap O2 irreversible

• Rantai pernapasan memberi banyak energi dari pelepasan ekivalen pereduksi dalam reaksi katabolisme melalui peristiwa phosforilasi oksidatif

• Phosforilasi oksidatif adalah sistem dalam mitokondria yang terangkai dengan respirasi , membentuk ATP dari ADP dan Pi

Glycerol 3-phosphate

Pyruvate

- Ketoglutarate

Cyt aa3Cu

O2

FeS : Iron-sulfur protein

ETF : Electron- transferring

flavoproteinFp : FlavoproteinQ : UbiquinoneCyt : Cytochrome

Proline3-Hydroxyacyl-

CoA3-Hydroxybutyrate

GlutamateMalate

Isocitrate

Acyl-CoASarcosine

Dimethylglycin

Fp(FAD)FeS

Lipoate Fp(FAD) NAD

Fp(FMN)FeS

Succinate

Choline

Fp(FAD)FeS

FeSETF

(FAD)

Fp(FAD)

Q Cyt bFeS

Cyt c1 Cyt c

Fosforilasi oksidatif• Oksidasi substrat melalu dehidrogenase-

NAD dalam rantai respirasi membentuk 3 molekul ATP sedang melalui dehidrogenase Fp membentuk 2 molekul ATP untuk setiap ½ mol O2 yang dikonsumsi

• Secara fungsional dan struktural, komponen rantai respirasi dalam membran internal mitokondria yang dianggap sebagai tempat yang menyokong fosforilasi dikelompokkan menjadi 4 buah kompleks

Mitokondria• Mitokondria terdiri dari membran

eksternal, membran internal dan matriks• Membran eksternal :permeabel untuk

banyak metabolite , mengandung enzym monoamin oksidase , asil ko-A sintetase , gliserol-p asil transferase dan phosfolipase A

• Membran interna :permeabel selektif , berupa lipatan / krista , mengandung enzym gliserol 3-p D’ase dan suksinat D’ase

• Matriks : terdapat di sebelah dalam m.interna mengandung enzym siklus krebs dan enzym -oksidase

Laju rantai pernapasan

• Pengendalian respirasilaju respirasi mitokondria dikendalikan oleh [ ADP ]oksidasi tidak berlangsung bila pada saat yang sama phosforilasi tidak terjadi

• Status pengendalian respirasi mitokondria : 1. Tersedia ADP dan substrat2. Hanya tersedia substrat3. Substrat dan komponen lainnya cukup4. Hanya tersedia ADP5. Hanya tersedia O2

Inhibitor rantai pernapasan dan phosforilasi oksidatif (1)

• Inhibitor rantai respirasiBekerja di 3 tempat :1. Menghalangi pemindahan elektron dari

Fe-S ke co-Q , contoh: barbiturat , pierisidin-A , rotenon , karboksin , TTFAInhibitor kompetitif dari suksinat D’ase , contoh : malonat

2. Menghalangi pemindahan elektron dari sit b ke sit c ,

contoh : dimerkaprol , anti histamin A

Inhibitor rantai pernapasan dan phosforilasi oksidatif (2)

3. Menghambat sitokrom oksidase

contoh : H2S , CO , CN

• Inhibitor phosforilasi oksidatifcontoh : oligomycin , atraktilosida

• Un-couplers ( pemutus rangkaian oksidasi dan phosforilasi )contoh : dinitrophenol , dinitrokressol , pentachlorophenol , chloro carbonil cianida phenilhidrazon ( cccp )

Oligomycin

O2

SuccinateFADFeS

FMN, FeSNADH

BALAntimycin

A

Complex III

Cyt b, FeS, Cyt C1

Cyt c Cyt a Cyt a3

Cu CuQ

Uncouplers

ADP + P1

ADP + P1

ATPATP ADP + P1

Uncouplers

ATP

Piericidin A

Amobarbital

Rotenone

Complex I

Complex IV

H2SCOCN -

Oligomycin

Mekanisme phosforilasi oksidatif

• Teori kimia osmotik ( Peter Mitchell )- Rantai pernapasan merupakan pompa proton ion H+ dari oksidasi komponen rantai pernapasan diejeksikan keruang antar membran mitokondria perbedaan potensial elektrokimia mengaktifkan ATP sintetase

Mekanisme phosforilasi oksidatif

• Kompleks dalam rantai pernapasan yang berperan sebagai pompa proton I , III , IV

• Kompleks yang berperan untuk phosforilasi tersebar dalam permukaan membran internal berupa subunit protein (F1) yang menjulur ke matriks dan melekat pada protein membran (F0)

Teori kimia osmotik menjelaskan beberapa hal :

• Pengendalian respirasi : perbedaan potensial elektrokimia menghambat transport elektron

• Kerja un-coupler : dinitrophenol meningkatkan permeabilitas membran terhadap proton menurunkan perbedaan potensial elektrokimia

Phosphorylatingcomplexes

OUTER MEMBRANE

INNERMEMBRAN

E

MATRIX

Cristae

B

A

OUTERMEMBRANE

INNERMEMBRANE

MATRIXF1 subunitsF0 subunits

Submitochondrial particel

Formed from fragments of the inner membrance

Sonication

B

Transport metabolite di mitokondria

- Pertukaran anion dengan OH- dan kation dengan H+ transport metabolite terionisasi

- Permeabel bebas untuk molekul kecil yang tidak bermuatan O2 , H2O , CO2 , NH3 dan asam-asam monokarboksilat ( 3 hidroksi butirat , asetoasetat )

- Asam lemak rantai panjang memerlukan carnitin , asam piruvat dengan symport H-

- Anion dikarboksilat / trikarboksilat memerlukan carrier khusus berhubungan dengan phosfat an-organik yang berpenetrasi sebagai H2PO4

- dan bertukar dengan OH-

Transport metabolite di mitokondria

contoh : malat HPO42-

sitrat malat / Pi

ketoglutarat malat / Pi

-Pengangkutan nukleotida adenin ADP dengan ATP

-Transport oksaloasetat melalui mitokondria memerlukan proses transaminasi (butuh enzym dan glutamat) :OA + Glutamat ketoglutarat + Aspartat keluar dari mitokondria membentuk glutamat + OA kembali di sitosol

NADH ekstramitokondria-Dehidrogenase-NAD ekstramitokondria

tidak berhubungan dengan rantai pernapasan

-Membran mitokondria tidak permeabel terhadap NADH

-NADH yang terbentuk disitosol oleh enzym 3-phosfogliserat dehidrogenase dalam keadaan aerob tidak pernah bertumpuk teroksidasi dalam rantai respirasi masuk kemitokondria dengan mekanisme pasangan substrat gliserofosfat shutlle dan malat shutlle.

INNERMEMBRANE

FAD

FDH2

Respiratory Chain

GLYCEROL-3-PHOSPHATE

DEHYDROGENASE(MITHOCONDRIAL)

GLYCEROL-3-PHOSPHATE

DEHYDROGENASE(CYTOSOLIC)

NAD+

NADH + H+

Dehydroxyacetone

phosphate

Dehydroxyacetone

phosphate



CYTOSOLMITOCHONDRION

OUTER MEMBRAN

E

Glycerophosphate shuttle for transfer of reducing equivalents from the cytosol into the mitochondrion

MALATE DEHYDROGENASE

MALATE DEHYDROGENASE

TRANSAMINASE

TRANSAMINASE

INNER MAMBRA

NE MITHOCONDRION

Malate

Oxaloacetate

Glutamate

-KG

Asp

NAD+

NADH+H+

H+H+

Glutamate

-KG

Asp

Malate

Oxaloacetate

NAD+

NADH

+H+

CYTOSOL

1

2

Malate shuttle for transfer of reducing equivalents from the cytosol into the mitocondrion. 1. Ketoglutarate transporter, 2. glutamate-aspartate transporter (note the proton symport with glutamate)

Creatin fosfat• Gerakan bolak balik creatin phosfat

-Menunjukkan peran creatin-p sebagai penyalur energi yang bekerja dinamis untuk membawa ~ P dari ATP mitokondria di dalam jaringan aktif

-Isoenzym creatin kinase terdapat dalam rongga antar membran mitokondria , ~ P(ATP) + creatin creatin-P , diangkut kesitosol melalui pori membran dan menjadi sumber ATP ekstramitokondria

CREATINEKINASE

NH

H2N

C

NH3C

COO-

NH

H

N

C

N

COO-

P

Creatinephosphate Creatine

ΔGO’ = 12.6 kJ/mol

bioenergitika

Documents