BIOENERGETIKA DAN ATP

BIOENERGETIKA DAN ATPSherly RidhowatiBIOENERGETIKA2MEMPELAJARI DINAMIKA/ PERUBAHAN ENERGI PADA REAKSI BIOKIMIAWI (REAKSI KIMIA PADA ORGANISME)studi tentang proses bagaimana sel menggunakan, menyimpan dan melepaskan energi. Komponen utama dalam bioenergetik adalah transformasi energi, atau konversi energi dari suatu bentuk menjadi bentuk energi lainnya.

Organisma hidup tidak berada dalam keseimbangan, melainkan membutuhkan masukan energi secara kontinyu. Jadi seluruh sel selalu mentransform energi227/09/2012Metabolisma adalah keseluruhan proses yang terjadi dalam makhluk hidup yang membutuhkan dan memanfaatkan energi bebas untuk melaksanakan berbagai macam fungsi. Organisma memperoleh energi tersebut melalui reaksi eksergonik dari oksidasi nutrient untuk menjaga kestabilan hidup seperti: melakukan kerja mekanik, transport senyawa aktif melawan gradient konsentrasi, dan biosintesis senyawa kompleks. Bagaiamana organisma memperoleh energi bebas yang diperlukan?

Organisma autotrof (tanaman dan bakteri fotosintetik) memperoleh energi bebas dari matahari melalui fotosintesis, suatu proses dimana energi cahaya digunakan untuk mengubah CO2 dan H2O menjadi karbohidrat dan O2. Organisma kemotrof, memperoleh energinya melalui oksidasi senyawa organic (karbohidrat, lipid, dan protein) yang diperoleh dari organisma lain.Energi bebas yang diperoleh tersebut sering digunakan untuk mengkounter reaksi endergonik melalui sintesis senyawa intermedier berenergi tingg adenosin trifosfat (ATP). Disamping digunakan untuk oksidasi, nutrient juga diuraikan dalam serangkaian reaksi menjadi senyawa intermedier umum yang merupakan precursor senyawa biologi lain.

Muatan energi merupakan faktor utama dalam pengaturan metabolisme di dalam sel, khususnya dalam mengatur katabolisme (reaksi penghasil ATP) dan anabolisme (reaksi pemakai ATP). Seperti terlihat pada Gambar 5 makin besar muatan energi di dalam sel, makin berkurang laju katabolisme dan makin bertambah besar laju anabolisme.Muatan energi merupakan faktor utama dalam pengaturan metabolisme di dalam sel, khususnya dalam mengatur katabolisme (reaksi penghasil ATP) dan anabolisme (reaksi pemakai ATP).

makin besar muatan energi di dalam sel, makin berkurang laju katabolisme dan makin bertambah besar laju anabolisme.

Sebaliknya bila sel dalam keadaan muatan energi normal, harus melakukan kerja , maka ATP akan dihidrolisis sehingga konsentrasi ATP mula mula menurun dan ADP naik. Perubahan ini merupakan isyarat yang merangsang laju reaksi katabolisme seperti glikolisis dan pernafasan. Bila kerja ditiadakan dari sistem, konsentrasi ATP naik dan ADP menurun, laju reaksi katabolisme akan dihambat. Dengan demikian pengaturan sintesis ATP di dalam sel berlangsung dengan adanya pengaruh ATP, ADP dan AMP sebagai pengatur enzim alosterik yang berperan dalam proses anabolisme dan katabolisme.

PADA ILMU KIMIA TELAH DIKENAL ADANYA: 2.REAKSI ENDOTERMIS: REAKSI YG MEMERLUKAN PANAS 1.REAKSI EKSOTERMIS: REAKSI YG MENGHASILKAN PANAS

PADA SISTEM NON BIOLOGIS ENERGI PANAS DAPAT DIUBAH MENJADI ENERGI MEKANIS ATAU ENERGI LISTRIK

4PADA SISTEM BIOLOGIS: MANUSIA BERSIFAT ISOTERMIS (SUHU TUBUH KONSTAN).MANUSIA MENGGUNAKAN PANAS YANG TERBENTUK PADA SUATU REAKSI ANTARA LAIN UNTUK MEMPERTAHANKAN SUHU TUBUH TETAPI TIDAK DAPAT MENGUBAHNYA MENJADI ENERGI MEKANIK ATAU ENERGI LISTRIK, SISA PANAS AKAN DIBUANG KE LUAR. OLEH KARENA ITU YANG LEBIH PENTING DIPERHITUNGKAN ADALAH BENTUK ENERGI KIMIA (ATP DLL)5PADA SISTEM BIOLOGIS PROSES YG MEMERLUKAN ENERGI MENDAPATKANNYA DENGAN CARA MENGAITKAN REAKSI YG PERLU ENERGI (REAKSI ENDERGONIK) DENGAN DENGAN REAKSI YANG MENGHASILKAN ENERGI (REAKSI EKSERGONIK)

R. EKSERGONIK 1 PROSES SINTESIS 2 ~ E KONTRAKSI OTOT 3 PENGHANTARAN SARAF4 TRANSPOR AKTIF

6G 7E~ EEksEndEksergonikEndergonikPanas

Energi kimia 727/09/2012MEKANISME PENGAITAN:1. MELALUI PEMBENTUKAN SENYAWA ANTARA: A + C | SA | B + D2. MELALUI PEMBENTUKAN SENYAWA KAYA ENERGI (~ E )AD2:CARA: SUATU SENYAWA (E) AKAN MENANGKAP ENERGI YG DIHASILKAN OLEH REAKSI EKSERGONIK ~E, DAN KEMUDIAN ~E AKAN MEMBERIKAN ENERGINYA UNTUK REAKSI ENDERGONIK~ ADALAH SIMBOL UNTUK MENUNJUKKAN IKATAN BERENERGI TINGGI

SENYAWA KAYA ENERGI (~ E ) YG PALING BANYAK DIDAPAT ADALAH ATP: ADENOSIN P ~ P ~ P8SENYAWA KAYA ENERGI (~E)ATP: ADENOSIN P ~ P ~ P (ADENOSIN TRIFOSFAT)ATP ADALAH SUATU NUKLEOTIDA YG DALAM BENTUK AKTIFNYA MEMBENTUK KOMPLEKS DENGAN Mg++ ATAU Mn++PERANAN ATP SBG PEMBAWA ENERGI TERLETAK PADA GUGUSAN TRIFOSFAT YG MENGANDUNG 2 IKATAN FOSFOANHIDRID. HIDROLISIS IKATAN INI AKAN MELEPASKAN BANYAK ENERGI BEBAS. ANALOG ATP : GTP, CTP, UTP

9SENYAWA KAYA ENERGI (~ E ) LAINNYA MISALNYA FOSFOENOLPIRUVAT, KREATINFOSFAT ( ADA SIMBOL IKATAN BERTENAGA TINGGI (~)

TUMBUHAN MENDAPATKAN ENERGINYA DARI FOTOSINTESIS SEDANGKAN HEWAN DAN MANUSIA MENDAPATKANNYA DARI BAHAN MAKANAN1011

PERUBAHAN ENERGI BEBASPADA REAKSI A + B ==== C + DSECARA TERMODINAMIKA:APABILA G < 0 DIKATAKAN REAKSI KE KANAN BERSIFAT EKSERGONIK (DAPAT BERLANGSUNG SPONTAN)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)12REAKSI BIOKIMIA DI DALAM SEL UMUMNYA TAK DAPAT BERLANGSUNG DGN SENDIRINYA OLEH KARENA ADANYA HAMBATAN ENERGI (ENERGY BARRIER) JADI PERLU ENZIM UNTUK MENGATASI HAMBATAN ENERGI INI ( ENZIM MENURUNKAN ENERGI AKTIVASI , TETAPI TIDAK MENGUBAH HARGA G )

13

14SKEMA OKSIDASI BIOLOGISENZIM DAN KOENZIM REAKSI REDOKS1. OKSIDASE MENGKATALISIS PEMBEBASAN HIDROGEN DARI SUBSTRAT DAN SECARA ALAMI MENGGUNAKAN O2 SEBAGAI AKSEPTORNYA. MENGHASILKAN H2O ATAU H2O2AH2 + O2 === A + H2O AH2 + O2 === A + H2O2OKSIDASEOKSIDASESEBAGIAN MENGANDUNG FAD/FMN SEBAGAI GUGUS PROSTETIK JADI MERUPAKAN FLAVOPROTEINCONTOH: L-ASAM AMINO OKSIDASE, GLUKOSA OKSIDASE, ALDEHID DEHIDROGENASEREAKSI : FP + AH2 === FPH2 + A LALU FPH2 +O2 === FP + H2O2 BILA JUGA MENGANDUNG LOGAM DISEBUT METALLOFLAVOPROTEINSEBAGIAN TIDAK MENGANDUNG FLAVINCONTOH: SITOKROM OKSIDASE (MENGANDUNG Cu)152. DEHIDROGENASETIDAK DAPAT MENGGUNAKAN O2 SEBAGAI AKSEPTOR HIDROGEN YANG DIBEBASKAN DARI SUBSTRAT.MACAM :1. YANG TERKAIT RANTAI RESPIRASIA. DEHIDROGENASE NAD PADA RANTAI RESPIRASIB. DEHIDROGENASE YG PERLU RIBOFLAVIN (FMN / FAD) YG TERKAIT RANTAI RESPIRASIC. SITOKROM2 KECUALI SITOKROM OKSIDASE R.R. : S NAD+ Fp Q SISTEM SITOKROM O216

172. YANG TAK TERKAIT RANTAI RESPIRASI; a. AH2 P BH2

A PH2 B

DEHIDROGENASE KHUSUS ADEHIDROGENASE KHUSUS B

MEMUNGKINKAN PROSES OKSIDATIF BERLANGSUNG DALAM KEADAAN ANAEROB CONTOH : LAKTAT DEHIDROGENASE (LDH)PIRUVAT + NADH + H+ === LAKTAT + NAD+

b. DEHIDROGENASE NADPNADPH DIPAKAI UNTUK SINTESIS ASAM LEMAK, STEROID DLL.

183. HIDROPEROKSIDASE: SUBSTRATNYA H2O2 1. PEROKSIDASE :H2O2 + AH2 2 H2O + A 2. KATALASE H2O2 + H2O2 2 H2O + O24. OKSIGENASE : 1. MONOOKSIGENASE (HIDROKSILASE) AH2 + O2 + ZH2 AOH + H2O + Z CONTOH: ENZIM2 PADA SINTESIS STEROID ENZIM2 HIDROKSILASI OBAT2-AN 2. DIOKSIGENASE (OKSIGEN TRANSFERASE) : A + O2 AO219PEMBENTUKAN ATPPEMBENTUKAN ATP DALAM SEL :1. PEMBENTUKAN ATP PADA TINGKAT RANTAI RESPIRASITERJADI DALAM MITOKONDRIACARA PEMBENTUKAN ATP PALING UTAMA2. PEMBENTUKAN ATP PADA TINGKAT SUBSTRAT:LEWAT REAKSI BIASAMISALNYA : fosfogliserat kinase 1,3 BISFOSFOGLISERAT + ADP + Pi 3 FOSFOGLISERAT + ATP

20RANTAI RESPIRASI21

RANTAI RESPIRASIMITOKONDRIATEMPAT PEMBENTUKAN ATP PALING UTAMA DALAM SEL, SEBABA. MENGANDUNG JALUR/ DAUR YG BANYAK MENGHASILKAN ENERGI:1. SIKLUS ASAM SITRAT2. OKSIDASI BETA ASAM LEMAK MENGHASILKAN ASETIL KO-A MASUK SIKLUS ASAM SITRATB. 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 DENGAN BANTUAN ENZIM ATP SINTASE). H+ DAN ELEKTRON AKHIRNYA DENGAN OKSIGEN MEMBENTUK H2O. 22 SUKSINAT Fp(FAD) ATP ATP ATP S NAD+ Fp Q SIT b SIT c1 SIT c SIT a SIT a3 O2 (FMN) ADP + Pi ADP +Pi ADP + Pi SITE I SITE II SITE III

NAD = NIKOTINAMID ADENIN DINUKLEOTIDAFAD = FLAVIN ADENIN DINUKLEOTIDAQ = KOENZIM Q = UBIQUINON 23 NAD+ NADH + H+ Fp FpH2 Q QH2 SISTEM SITOKROM O2 H2O ALIRAN ELEKTRON: DARI YG ELEKTRONEGATIF KE YG ELEKTROPOSITIF SEBELUM SIT a3 TERGOLONG DEHIDROGENASE SIT a3 TERGOLONG OKSIDASE , JADI DISEBUT SITOKROM OKSIDASE24

25RANTAI RESPIRASI MERUPAKAN SERANGKAIAN KATALISATOR DALAM MITOKONDRIA UNTUK TRANSPOR HIDROGEN ATAU H+ DAN e- UNTUK AKHIRNYA DIREAKSIKAN DENGAN O2 MEMBENTUK H2ORANTAI RESPIRASI HANYA BERJALAN DALAM KEADAAN AEROB (ADA O2 )

PADA RANTAI RESPIRASI TERJADI 3 HAL: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 = 2,5:1LEWAT DEHIDROGENASE FAD TANPA LEWAT NAD : RATIO P:O=1,5:12627

INHIBITOR RANTAI RESPIRASI SUKSINAT Fp (FAD) S NAD+ Fp Q SIT b SIT c1 SIT c SIT a SIT a3 O2 (FMN) I II III

INHIBITOR SISTEM RANTAI RESPIRASI ADALAH SENYAWA2 YANG MENGAKIBATKAN :- RANTAI RESPIRASI TIDAK BERJALAN - ATP TIDAK TERBENTUK 28TITIK TANGKAP:SITE I : PIERICIDIN A, AMOBARBITAL, ROTENONSITE II: BAL, ANTIMYCIN ASITE III: H2S, CO, CN-

AD 1 DAN 2: MENGHAMBAT ALIRAN ELEKTRON TAK TERBENTUK ATPAD 3 : MENGHAMBAT PEMAKAIAN O2 TAK TERBENTUK ATP

OLIGOMISIN : MENGHAMBAT FOSFORILASI ADP

ATRAKTILOSIDA : MENGHAMBAT TRANSPOR ADP MASUK DAN ATP KE LUAR MITOKONDRIAASAM BONGKREK : SEPERTI ATRAKTILOSIDA29UNCOUPLER :CONTOH: 2,4 DINITROFENOLMENGHAMBAT PEMBENTUKAN ATP TETAPI TIDAK MENGHAMBAT OKSIDASI SUBSTRAT MAUPUN PEMAKAIAN O2

30NADH TIDAK DAPAT MENEMBUS MEMBRAN MITOKONDRIA OKSIDASI DITERUSKAN SECARA TAK LANGSUNG :1. LEWAT MALAT SHUTTLE: 1 MOL NADH + H+ 3 MOL ATP 31

OKSIDASI NADH DARI LUAR MITOKONDRIA2. LEWAT -GLISEROFOSFAT SHUTTLE

NAD+ GLISEROL-3P GLISEROL-3P FAD NADH+ H+DHAPDHAP FADH2 32SITOSOL

DHAP = DIHIDROKSIASETON FOSFATMITOKONDRIAMEMBRAN1 MOL NADH + H+ 2 MOL ATP3227/09/2012HIPOTESIS KIMIA OSMOTIK33Membran -dalam ----- mitokondriaRUANG INTERMEMBRAN NADH + O2 RANTAI RESPIRASIH+ H+ H+ H+ H+ H+ NAD+ + H2O ADP + Pi MATRIXMIT H+ H+ ATP ATP SINTASE H+ H+ 2,4 DINITROFENOL (UNCOUPLER)MITCHELL MENYEBUTKAN BAHWA OKSIDASI DAN FOSFORILASI DIKAITKAN OLEH GRADIEN PROTON. GRADIEN ELEKTROKIMIA (GRADIEN PROTON) DIBENTUK OLEH POMPA PROTON PADA MEMBRAN-DALAM MITOKONDRIA. POMPA PROTON TSB DIOPERASIKAN OLEH ALIRAN ELEKTRON DAN MENGAKIBATKAN PROTON DILEMPAR KE LUAR DARI RUANG MATRIX (MELALUI MEMBRAN ).PROTON AKAN BERGERAK KEMBALI MENUJU KE DALAM MATRIX SESUAI GRADIEN ELEKTROKIMIA, DAN ENERGI YG DILEPASKAN AKAN DIGUNAKAN UNTUK SINTESIS ATP DARI ADP DAN Pi OLEH ATP SINTASE . 34