Energi dan Metabolisme sel Energi : materi, the capacity to do work Energi dibutuhkan semua benda hidup Matahari -> sumber energi utama Tumbuhan menangkap 0.02% energi matahari

(energi matahari energi kimia dlm molekul organik Energi kimia dari tumbuhan ke binatang &

manusia Hukum termodinamika I: Energi tidak bisa diciptakan

atau dimusnahkan : energi ditangkap dari lingkungan disimpan sementara digunakan untuk aktivitas biologi

Hukum termodinamika II : tidak semua energi yang ditangkap dapat digunakan untuk melakukan aktivitas, energi dikonversi ke bentuk yang kurang dapat digunakan yaitu panas (entropi)

Sel : memperoleh energi dalam berbagai bentuk Sel mempunyai mekanisme untuk konversi energi

Metabolisme sel Energi dalam sel berada dalam bentuk ATP (temporer) ATP nukleotida yang terdiri dari 3 bagian :

adenin (basa organik bernitrogen) Ribosa (gula ber-atom karbon 5) Tiga kelompok fosfat

ATP donasi energinya lewat transfer grup fosfatnya ATP + H2O ADP + Pi -- reaksi endergonik Glukosa + Fruktosa + ATP Sukrosa + ADP + Pi

ATP penghubung antara reaksi eksergonik dan endergonik dan antara katabolisme dan anabolisme

Energi dapat ditransfer dalam reksi redox (reduksi-oksidasi) Oksidasi: proses kimia dimana substrat kehilangan

elektron Reduksi : proses kimia dimana substrat mendapatkan

elektron

ATPADP +

Pi

Reaksi eksergonik(melepas energi)

Reaksi endergonik(perlu energi)

Enzim biokatalis

Katabolisme Rangkaian reaksi kimia pemecahan senyawa kompleks

menjadi senyawa sederhana: substrat awal (molekul besar)

dan substrat akhir (molekul kecil) Bersifat eksergonik (menghasilkan/melepaskan

energi) Bertujuan untuk pembongkaran/penguraian molekul Fungsi :

- Menyediakan bahan baku untuk sintesis molekul lain- Menyediakan energi kimia untuk aktivitas sel

Meliputi :1. respirasi aerob, 2. respirasi anaerob, dan 3. fermentasi

Katabolisme lanjutan1. Respirasi aerob

respirasi seluler yang membutuhkan oksigen terdapat pada kebanyakan sel eukariot dan prokariot substrat dikatabolisme menjadi karbondioksida dan

air Contoh :

tumbuhan, binatang, fungi, bakteri menggunakan respirasi aerobik untuk memperoleh energi dari glukosa, yang masuk sel lewat difusi terfasilitasi

proses redox, dimana elekron ditransfer dari glukosa (teroksidasi) ke oksigen (tereduksi)

Ringkasan reaksi :C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O 6CO2 + 12 H2O + ATP (dalam bentuk bonds ATP energi untuk memecah ikatan kimia)

Reduksi

Oksidasi

Katabolisme lanjutan

1. Respirasi aerob punya 4 tahapan :

a. Glikolisis di sitosolb. Pembentukan Asetil Co-A c. Siklus Asam Sitrat (Krebs) di dalam mitokondriad. Sistem Transport elektron

BernapasO2 CO2

Paru-paru

Sel-sel otot

O2CO2

Repirasi seluler

Glukosa + O2 CO2 + H2O + ATP

Aliran darah

1.a. Glikolisis

• di dalam sitoplasma sel- sitosol• degradasi glukosa menjadi asam piruvat• Atom hidrogen ditransfer ke hydrogen carrier NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) membentuk NADH • 2 ATP dihasilkan

• Pemecahan 1 molekul glukosa atau karbohidrat lain menjadi :

• 2 molekul asam piruvat• 2 molekul NADH• 2 molekul ATP

C6H12O6 + 2ATP + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 piruvat + 4ATP + 2NADH + H2O

1.a. Glycolisis

1.b. Pembentukan Acetyl Coenzyme-A (Co-A) • terjadi di dalam mitokondria• tiap piruvat masuk ke mitokondria akan dioksidasi menjadi asetat (2C) dan bergabung dgn coenzyme A acetyl CoA• piruvat atom hidrogen ditransfer ke NAD• 1 molekul NADH dihasilkan dan CO2 dilepas sebagai produk buangan

Reaksi :2 piruvat + 2 CoA+ 2NAD+ 2 Acetyl CoA + 2 CO2 + 2 NADH

1.c. Siklus Krebs : citric acid cycle

• terjadi di dalam matrix mitokondria • 2-carbon acetyl CoA bergabung dengan senyawa beratom C 4 membentuk asam sitrat ( 6- karbon) • Asam sitrat dapat kembali ke senyawa dengan atom C 4 • C dilepas dalam bentuk CO2

• H bergabung dengan NAD membentuk NADH2 + ATP• 1 Asam piruvat (substrat) menghasilkan:

• 2 molekul NADH• 2 molekul FADH2 (Flavin Adenin Dinukleotida H2)• 2 molekul ATP

2 Acetyl CoA + 2NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2Pi + 2H2O 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2ATP + 2CoA

1.d. Transport elektron

• terjadi di dalam membran mitokondria • tahapan akhir respirasi aerob• rantai transport ekektron• waktu elektron berpindah dari satu aseptor ke aseptor lain, sebagian energi digunakan untuk memindah ion hidrogen (proton) melewati membran dalam mitokondria, dan membentuk proton gradient• energi dari proton gradient digunakan untuk produksi ATP• 1 molekul glukosa dipecah menghasilkan 32 ATP

NADH + 3 ADP + 3Pi + ½ O2 NAD+ + 3 ATP +H2OFADH2 + 3 ADP + 3Pi + ½ O2 FAD+ + 2 ATP +H2O

ATP yang dihasilkan dari pemecahan glukosa menjadi CO2 dan H2O adalah 36 ATP (2 ATP dari glikolisis, 2 ATP

dari Siklus Krebs dan 32 ATP dari Sistem Transport Elektron)

Energi yang dihasilkan dari oksidasi glukosa oleh respirasi aerob

Glikolisis

Glukosa

Piruvat

Acetyl coenzyme A

Transpot Elektron & kemiosmosis

Siklus Krebs

2 ATP

2 ATP

32-34 ATP

Tahapan Respirasi Aerob

Ringkasan Materi Awal Produk

Glikolisis(dalam sitosol)

Glukosa diubah jdai piruvat; hasil 2 ATP; atom H ditransfer ke carrier; dapat terjadi secara anaerob

Glukosa, ATP, NAD+, ADP, Pi

Piruvat, ATP, NADH

Pembentukan Asetil CoA(dalam matriks mitokondria)

Piruvat diubah dan digabung dgn CoA asetil CoA; atom H ditransfer ke carrier; pelepasan CO2

Piruvat, coenzyme A, NAD+

Acetyl CoA, CO2, NADH

Siklus Krebs(dalam matriks mitokondria)

Asetil CoA diubah menjadi CO2; atom H ditransfer ke carrier; sintesis 2 ATP

Acetyl CoA, H2O, ADP, Pi, NAD, FAD

CO2, NADH, FADH2, ATP

Transport elektron (dalam membran miokondria)

Transport beberapa elektron; energi digunakan untuk membentuk protont gradient; ATP disintesis; oksigen sbg aseptor elektron

NADH, FADH2, O2, ADP, Pi

ATP, H2O, NAD+, FAD

Ringkasan Respirasi Aerob

Substrat selain glukosa yang dipakai pada Respirasi Aerob

Protein Asam amino (misalnya alanin) diubah mjd piruvat Asam amino diubah ke Acetyl CoA Glutamat ketoglutarat, aspartate

oxaloaceatet : sebagai senyawa intermediet pada Siklus asam sitrat

Produk akhir NH3 Lipid

Gliserol diubah ke Glukosa 3 Phosphate (GP3) dan masuk ke Glikolisis

Asam lemak dioksidasi membentuk gugus acetyl bergabung dgn CoA membentuk Acetyl CoA

Sel menggunakan berbagai molekul organik sebagai fuel pada respirasi seluler

Makanan

karbohidrat lemak protein

glukosa gliserol Asam lemak

Asam amino

GlukosaG3Ppirivat

GLIKOLISIS

Asetil CoA

Grup amino

Siklus asamSitrat

Elektron transport

ATP

Katabolisme lanjutan2. Respirasi anaerob

Tidak menggunakan oksigen sebagai aseptor terakhir Pada sejumlah bakteri yang hidup di lingkungan

anaerob (misalnya tanah tergenang, intestinum hewan)

Substrat : glukosa elektron ditransfer dari glukosa ke NADH Kemudian ke transport elektron disertai sintesis

ATP Nitrat (NO3-) /sulfat (SO42-) dapat menggantikan

oksigen (sebagai aseptor elektron) Produk akhir : CO2, 1/lebih substansi anorganik dan

ATP Contoh reaksi : (pada siklus nitrogen) C6H12O6 + 12 KNO3 6CO2+6H2O+12KNO2+

+ATP

Katabolisme lanjutan

3. Fermentasi

Misalnya pada bakteri dan beberapa fungi tidak memakai electron transport chain

Hanya 2 ATP terbentuk per glukosa (fosforilasi substrat lewat glikolisis)

NADH transfer hidrogen ke molekul organik, dan kembali ke NAD+ glikolisis tetap berlangsung

Produk substansi organik (alkohol/laktat) Fermentasi alkohol (oleh ragi) pembuatan tape, bir

dll. C6H12O6 2CO2 + 2 ethyl alkohol + 2 ATP Fermentasi laktat (pada fungi, bakteri, sel otot

hewan) C6H12O6 2 laktat + 2 ATP

Fermentasi

FoodRaw Material

Fermentor

Pickles Cucumber Leuconostoc mesenteroidesLactobacillus

Chocolate Cacao bean Saccharomyces cerevisiaeCandida rugosaKluyveromyces marxianus

Bread Flour Saccharomyces cerevisiae

Coffee Coffee bean Erwinia dissolvens

Sauerkraut Cabbage Leuconostoc plantarum

Soy sauce Soya bean Aspergillus oryzae

Table 1. Some examples of foods which uses fermentation in their production.

• Reaksi kimia untuk pembentukan senyawa kompleks

dari molekul sederhana

• Bersifat endergonik, membutuhkan ATP atau energi

dari sumber lain

• Bertujuan untuk penyusunan /sintesis suatu molekul

• Contoh : sintesis protein, asam nukleat, lemak,

polisakarida (misalnya pada fotosintesis)

Anabolisme

• Tahapan awal aliran energi pada makhluk hidup

• Sumber karbon (rangka molekul organik) dan energi

Fotosintesis

1. Cara organisme memperoleh karbon

- Autotrof : mampu memfiksasi karbon dari CO2 sebagai

sumber karbon

- Heterotrof : menggunakan molekul organik yang diproduksi oleh organisme lain sbg sumber karbon

2. Cara organisme memperoleh energi

- Fototrof: menggunakan cahaya sebagai sumber energi

- Kemotrof: menggunakan senyawa organik (mis. Glukosa), anorganik (mis: besi, sulfur, nitrat, amonia) sbg sumber energi

3. Kelompok organisme berdasar karbon dan penggunaan energi

- Fotoautotrof

- pada tumbuhan, alga, bakteri fotosintetik

- Fotoheterotrof

- Bakteri nonsulfur ungu

- Kemoautotrof

- Bakteri (untuk fiksasi karbon, energi didapat dari oksidasi molekul anorganik, mis. H2S, nitrit, ammonia)

- Kemoheterotrof

- Pada semua hewan, manusia, fungi, dan sebagian besar bakteri

Fotosintesis

Fotosintesis Perlu cahaya

• Cahaya sebagai gelombang atau partikel (photon)

• Panjang Gelombang jarak antara puncak satu ke puncak lain pada gelombang

• Gelombang elektromagnet:

Gelombang TV & Radio – infrared -visible light -UV- X - Gamma

Merah orange kuning hijau biru ungu

• Makin panjang gelombang makin lemah energinya

• Cahaya untuk fotosintesis visible light (di antara infrared dan UV)

• Molekul menyerap photon elektronnya terenergize elektron pindah dari orbital dgn energi rendah ke orbital berenergi tinggi

Fotosintesis

Visible light

Tempat Fotosintesis

• Pada kloroplas (organel bermembran rangkap) di sel mesofil

• membran dalam mengelilingi cairan yg disebut stroma, berisi enzim untuk pembentukan karbohidrat)

• Di dalam stroma ada sistem membran, membentuk piringan dsbt thyllakoid dgn ruang dalam lumen thylakoid; kantong thylakoid bertumpuk grana. Pada membran thylakoid terjadi transport elektron

• Pada organisme prokariotik tdk ada kloroplas, tp membran thylakoid ada di bagian perifer dekat membran plasma

• Dalam kloroplas (pada membran thylakoid) ada klorofil

• Klorofil terikat pada membran thylakoid dgn chlorophyll binding protein

• Klorofil terdiri dari 2 bagian, cincin porphyrin (C, N) sebagai penangkap cahaya dan rantai hidrokarbon

• Klorofil paling berperan klorofil a

• Klorofil a : gugus methyl (-CH3) menyerap sinar hijau terang ; klorofil b : gugus carbonyl (-CHO) menyerap sinar kuning hijau . Gugus ini terdapat pada cincin porphyrin

Fotosintesis

Tempat Fotosintesis lanjutan

• Dalam sel mesofil ada pigmen non kloroplas kromoplas

• Berisi pigmen karotenoid (kuning dan orange)

• Pigmen ini menyerap sinar bergelombang lain dan berfungsi proteksi bagi klorofil dan proteksi komponen fotosintesis lain dari kerusakan energi cahaya

• Pigmen karotenoid dapat berubah menjadi klorofil a

Reaksi Fotosintesis• Energi cahaya dikonversi ke energi kimia dalam karbohidrat,

oksigen dilepas sebagai produk samping

• 6 CO2 + 12 H2O + cahaya + klorofil glukosa + 6 O2 + 6 H2O

• CO2 mengalami reduksi dan H2O mengalami oksidasi

• Reaksi fotosintesis melibatkan 2 unit fotosintetik : Fotosistem I dan Fotosistem II.

Fotosistem : Tiap Fotosistem terdiri dari atas :

antenna complexes (pigmen klorofil a+b dan pigmen lain yang melekat pada membran thyllakoid dgn perantara pigmen-binding protein)

reaction center (kompleks molekul klorofil dan protein, termasuk komponen transfer elektron yang berpartisipasi pada fotosintesis),

Pigmen pada kompleks antenna menyerap energi cahaya dan ditransfer dari molekul pigmen satu ke pigmen lain sampai mencapai reaction center

Energi cahaya dikonversi ke energi kimia dalam reaction center dgn reaksi transfer elektron berseri

Reaksi fotosintesis terdiri dari 2 bagian :- Reaksi terang (Light dependent reaction) - Reaksi gelap /fiksasi karbon/synthesis

Reaksi Terang:Terjadi pada membran thylakoid

Konversi energi cahaya ke energi kimia

Terdiri dari :

Photochemical reactions:

Klorofil teraktivasi, reaction center mentransfer elektron ke

electron acceptor. Cahaya, klorofil elektron

Electron transport

Elektron ditransport sepanjang aseptor elektron pada membran

thylakoid, elektron mereduksi NADP+, memecah air dan H+

terakumulasi di dalam ruang thilakoid

elektron , NADP+, H2O, aseptor elektron NADPH, O2

Chemiosmosis energi dari elektron sebagian tdk lepas, tapi untuk sintesis ATP fotofosforilasi. Proton gradient, ADP,Pi ATP

Transport elektron:

Non Cyclic : berkaitan dengan Fotosistem I dan Fotosistem II

Pigmen pada kompleks antena menyerap photon cahaya

Energi ditransfer ke reaction center, melepas elektron

Energized electron ditransfer ke elektron aseptor primer ke aseptor berikutnya pada electron transport chain sampai ke feredoxin (protein- ion Fe)

Feredoxin transfer elektron ke NADP+ NADPH (dilepas ke stroma)

Elektron yang sudah dilepas tergantikan oleh elektron lain dari Fotosistem II

Fotosistem II juga teraktivasi transport elektron sepanjang rantai transport elektron . H2O dipecah (fotolisis) ½ O2 + H2+ + 2e . ATP terbentuk. O2 dari fotolisis ini sumber O2 di atmosfer

ATP dan NADPH dilepas ke stroma (untuk fiksasi C)

elektron kehilangan energi saat melewati rantai transport elektron, sebagian digunakan untuk memompa proton dari stroma melewati membran thylakoid ke lumen thylakoid

Transport elektron:

Cyclic : berkaitan dengan Fotosistem I saja

the simplest light dependent reaction

cyclic energized electron dari P700 kembali ke P 700

elektron kehilangan energi saat melewati rantai transport elektron, sebagian digunakan untuk memompa proton dari stroma melewati membran thylakoid ke lumen thylakoid

ATP dibentuk, NADPH tidak terbentuk, H2O tidak dipecah dan oksigen tidak terbentuk

Perbandingan Transport elektron

Non Cyclic Cyclic

Electron source H2O None-electron cycle

trough the system

Oxygen released? Yes No

Terminal electron NADP+ None

Form energy captured ATP, NADPH ATP

Photosystem required PS I & PS II PS I

Reaksi Terang:

Proses:

klorofil menangkap cahaya elektron berpindah ke orbital yg lebih

tinggi tbtk energized electron elektron ini ditrasport ke molekul

aseptor elektron sepanjang rantai transport elektron, diikuti dengan

pemecahan H2O oksigen dilepas . Energi dari elektron digunakan

untuk fosforilasi ADP membentuk ATP, sementara coenzym NADP+

direduksi menjadi NADPH

Materi awal :

cahaya, klorofil, H2O, elektron, aseptor elektron, ADP, Pi, NADP+

Produk akhir : ATP, NADPH, O2

Reaksi gelap/Fiksasi karbon:

-Terjadi di dalam stroma kloroplas sebagai Siklus Kalvin

- 12 NADPH + 18 ATP + 6 CO2 Glukosa+12 NADP+ +18 ADP +18 Pi +6 H2O

- Tergantung produk reaksi terang & terdiri dari 3 tahapan (13 reaksi) :

- CO2 uptake: reaksi tunggal

- CO2 bergabung dengan ribulosa biphosphate (RuBP), gula beratom karbon 5 dgn bantuan enzym Rubisco (ribulose biphosphate carboxylase)

-Produk akhir : PGA (phosphoglycerate acid molekul beratom karbon 3)

- Carbon reduction :

- ATP dan NADPH (dari reaksi terang) digunakan untuk konversi PGA ke G3P (glyceradehyde -3-phosphate)

-2 G3P terbentuk untuk tiap 6CO2 yang masuk ke siklus Kalvin

-Eksergonik

- dapat membentuk glukosa/fruktosa sukrosa/selulose/tepung

- RuBP regeneration

- Sisa G3P digunakan untuk sintesa RuBP

Fotosintesis

Perbandingan fotosintesisPerbandingan fotosintesis

Tanaman C3Tanaman C3 Siklus Calvin di sel Siklus Calvin di sel

mesofil mesofil Sel-sel selubung Sel-sel selubung

berkas pengangkut berkas pengangkut tidak berklorofiltidak berklorofil

Tanaman C4Tanaman C4

Perbandingan fotosintesisPerbandingan fotosintesisTanaman C3 Tanaman C4 Tanaman CAM

Fiksasi CO2 di siang hari di sel mesofil

Enzim : Rubisco

Siklus Calvin di sel mesofil

Sel-sel selubung berkas pengangkut tidak berklorofil

Fiksasi CO2 di siang hari di sel mesofil senyawa 4 C (oksaloasetat) malate piruvat (3C)

Enzim: PEP carboxylase

DSiklus Calvin di sel –sel selubung berkas pengangkut yg berklorofil

Fiksasi CO2 di malam hari Membentuk oksaloasetat malate disimpan di vakuola sel mesofil

Enzim: PEP carboxylase

Di siang hari CO2 dilepas dari malate & digunakan untuk siklus Calvin di sel mesofil

C3 & C4 berbeda lokasi C3 & CAM berbeda waktu, sel untuk fiksasi karbon sama