bioenergitika2

BIOENERGETIKABIOENERGETIKABIOENERGETIKABIOENERGETIKA

OLEH :OLEH :

T.M.Fauzi,S.Si, M.KesT.M.Fauzi,S.Si, M.Kes

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 PernapasanRantai Pernapasandandan

Fosforilasi oksidaifFosforilasi oksidaif

T.M.Fauzi,S.Si, M.KesT.M.Fauzi,S.Si, M.Kes

2

Energi Matahari

Ekosistem

Fotosintesis

Respirasi Selular

Kerja Selular

Energi Panas

Fotosintesis danRespirasi merupakanproses yangberkebalikan

GambarOrangberolah raga

Aktivitas hidup memerlukan energi dalam bentuk ATP

Pernapasan

Paru-paru

Aliran darahSel-sel otot

melakukanRespirasiSelular

3

4

ATP dapat digunakan untuk:

Proteinmembran

Solut

Kerja transpor

Solut ditransporKerja mekanik

Portein motor

Reaktan

Portein dipindahkanKerja kimia

Produk

5

ATP dihasilkan dari proses oksidasi molekul organik(seperti glukosa) di dalam sel hidup

Karbondioksida + Air + Energi

6 CO2 + 6 H2O

Glukosa + Oksigen

Oksidasi

C6H12O6 + 6 O2

Reduksi

ΔG = - 686 kkal/mol

Reaksi oksidasi dan reduksi memiliki peran pentingdalam proses-proses biologi, seperti Respirasi

6

Respirasi Selular

Melibatkan reaksi oksidasi-reduksi di dalam sel

Memanen energi kimia menjadi ATP

Reaksi umum

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

6 CO2 + 12 H2O + ATP

7

1 molekul Glukosa 2 molekul asam piruvat2 ATP

Glikolisis tahap awal dari respirasi selular

Menggunakan enzim-enzim sitoplasma

4 ATP

2 NADH

Glikolisis

sitosol

glukosa

2 piruvat

Respirasi selular

Terjadi pada seluruh organisme

Tahap

energi

8

Glikolisis Glukosa

Glukosa 6-Fosfat

Tahap persiapan(memerlukan

energi)

ATP

ADP

Fruktosa 6-FosfatATP

ADP

Fruktosa 1,6-difosfat

Gliseraldehid 3-difosfat

NADH

ATP

Asam 2-fosfogliserat(2 molekul)

Asam fosfoenolpiruvat(2 molekul)

ATP

Asam piruvat (2 molekul permolekul glukosa)

Asam 1,3-difosfogliserat(2 molekul)

menghasilkanAsam 3-fosfogliserat(2 molekul)

9

Lintasan Respirasi Aerobik-Anaerobik

Asam Piruvat KetersediaanOksigen

Oksigentak ada / tak cukup

RespirasiAnaerobik

Oksigenada / cukup

RespirasiAerobik

10

Lintasan Respirasi Anaerobik

Contoh : Fermentasi pada Ragi

Glukosa

2 Piruvat

2 Asetaldehid

2 Etanol

11

Pada respirasi anaerob hanya dihasilkan 2 ATP (per 1molekul glukosa)

Pada otot hewan dan manusia saat kontraksi berlebihan

Glukosa

2 Piruvat

2 Asamlaktat

Timbunan asam laktat menurunkan pH otot sehinggakapasitas serat otot menurun, menimbulkan rasa lelah.

Asam laktat dibawa ke liver, dan diubah kembalimenjadi asam piruvat jika oksigen telah cukup kembali.

Membran sintesis ATP

12

Lintasan Respirasi Aerobik

Respirasi :

Pernapasan (memasukkan O2 dan mengeluarkan CO2)

Oksidasi molekul-molekul organik oleh sel (respirasi selular)

terjadi di dalam mitokondria (pada sel-sel eukariot)

Keterangan :• membran luar : permeabel terhadap sebagian besar molekul kecil• membran dalam : hanya dapat melewatkan molekul-molekul tertentu

seperti asam piruvat dan ATP

Membran luardalam

Ruangintermembran

Kompleksmatriks Krista

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+

21

Energi maksimum hasil oksidasi 1 molekul glukosa

Produk Setara ATP Total ATPTempat proses

Dalam sitoplasmaglikolisis 2 ATP 2 ATP 2 ATP

Dalam mitokondria

dari glikolisis 2 NADH 6 ATP 6 ATP

dari respirasi

asam piruvat-Asetil KoA

Siklus Krebs

6 ATP

24 ATP

1 NADH

3 NADH

1 FADH2

1 ATP

3 ATP (2 X)

9 ATP

2 ATP (2 X)

1 ATP

Total 38 ATP


• 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

red

rok

16

Rantai Transport Elektron

Hasil oksidasi gula menghasilkan :- ATP

- NADH dan FADH2 (pembawa elektron berenergi tinggi)

Elektron berenergi tinggi dalam NADH dan FADH2

dilewatkan setahap demi setahap ke tingkat energi yangrendah dan akhirnya diterima oksigen (O2)

Rantai Transport Elektron

SiklusKrebs

Energi

Te

uksi

Tesid

asi

spor

tran

tai

Ran

tronele

k

17

Mengapa harus ada rantai transpor elektron ?

Pelepasanenergipanas

Energiuntuk

sintesis

Dari makanan via NADH

ATP sintase18

Aliranelektron

NADH NAD+

KompleksProtein

Pembawaelektron

H+

H+ H+ H+

H+

ADPATP

P+

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

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

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 )

penurun berat badan 23

Rantai transpor elektron

Pengaruh senyawa racun pada proses transpor elektron dankemiosmosis (Cambel et al., 2000).

- Rotenon: termasuk insektisida,

- oligomisin: fungisida,

- dinitrophenol (DNP) pernah digunakan sebagai

obat

Rotenon Sianida, CO Oligomisin

ATP sintase

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

Diagram Produksi Energi

Siklus Krebs (Siklus Asam Trikarboksilat=TCA

Cycle)

bioenergitika2

Documents