Penugasan Kelompok 6.Metabolic Energy : ATP Metabolism

1. Bioernergy

2. The Role of ATP

3. ATP a generated by phyotosynthetic

( photophosphorilation)

4. ATP synthetic : oxydative phosphorilation in monochondria.

5. Conclusion

References

Reaksi Oksidasi zat organik , dpt berlangsung :

1. melalui suatu proses pembakaran biasa

2. atau dapat melalui reaksi enzimatis.

Di dalam respirasi, pelepasan energi kimia meliputi 3 proses :

1. Oksidasi (dehidrogenasi = pelepasan Hidrogen)

2. Perombakan molekul

3. Pemindahan Energi ( fosforilasi)

1) molekul-2 intermediat CO2 organik

enzim

2) Donor H H2O

3) ADP, Pi ATP

   

Oksidasi biologi

1.Reaksi antara zat dengan mol O2

A + (O) AO2. Pelepasan hidrogen (hidrogenase) atau pelepasan elektron

XH2 + Y YH2 + X X di-oksidasi pd proses dehidrogenaseY merupakan aseptor hidrogenase ( y direduksi ) dan enzimnya dehidrogenase

1.

Reduksi = adalah proses penangkapan elektron-2 atau penangkapan hidrogen

oksidasi

( - elektron )

A B reduksi

( + elektron )

Jika didalam suatu reaksi salah satu gugusan mengalami OKSIDASI, maka harus ada gugusan lainnya yang mengalami REDUKSI

A + B A (ter-0ksidasi ) + B (ter-reduksi)

Contoh Reaksi Oksidasi-reduksi

proses oksidasi

Zat organik + O2 CO2 + H2O

proses Reduksi

XH2 + Y YH2 + X

YH2 NAD FADH2 Sit H2O

Y NADH2 FAD Sit 2H ½ O2

dehidrogenase sitokhrom oxidase

Dehidrogenase khusus NAD , hanya dpt mengkatalisa

pemindahan hidrogen dari substrat ke NAD

XH2 Y H2O

X YH2 ½ O2

- Reaksi oksidasi – reduksi

- Y sebagai akseptor H

- Oksigen biasanya sbg akseptor H yg terakhir

- X dan Y sbg Hidrogen akseptor sebelum Oksigen

Akseptor Hidrogen dalam Organisme

ada 3 bentuk utama :

1. Coenzim I : NAD (nikotinamida

dinukleotida )

2. Co-enzim II : NADP (nikotin amida

dinukleotida fosfat )

3. FAD : flavo adenin dinukleotida

bentuk tereduksi NADH = NAD+ + H+ + 2 e-

NADPH = NADP+ + H+ + 2 e-

FADH2 = FAD + 2 H+ + 2 e-

Fosforilasi = transfer energi membentuk ikatan kaya energi ( asam fosfat/fosfat ). Energi ini sewaktu-waktu dpt dilepaskan utk menjalankan reaksi endergonik, ttp jika belum dipakai, maka tersimpan dlm bentuk ATP.

Fosforilasi tingkat substrat (Substrate -level phosphorilation)

Terjadi pd proses pembongkaran substrat (KH, glukose) pd glikolisis (respirasi) , melalui dehidrogenase langsung membentuk suatu ikatan energi tinggi dan baru kemudian terjadi fosforilasi.

Contoh 1 mol glukose yg masuk dlm lintasan glikolisis menghasilkan sintesis 2 mol ATP , sehubungan dg transfer langsung gugusan fosfat dari mol substrat ke ATP.

   

Persamaan fotosintesis (Alan Stemler & Richard Radmer, 1975 ) :

kloroplas

nCO2 + 2nH2O + cahaya (CH2O)n + nCO2 + nH2O

Perhatikan :

1.Rangkuman persamaan fotosintesis, tidak menyebutkan ttg ATP, NADPH, atau NADP+ , alasannya : krn setelah ATP dan NADPH terbentuk, energinya digunakan dlm proses reduksi CO2 dan sintesis Karbohidrat., dan ADP dan Pi serta NADP+ dilepaskan lagi.

2.ADP dan Pi segera dirubah menjadi ATP oleh oleh energi cahaya, dan secepat itu pula ATP dirombak ketika fotosintesis terjadi, pd laju yg tetap.

Fungsi Cahaya dlm fotosintesis ,1. Mengangkut elektron dari H2O untuk mereduksi NADP+

menjadi NADPH

2. Menyediakan energi untuk membentuk ATP dari ADP + Pi , kloroplas

ADP + Pi + cahaya ATP + H2O

- ATP disintesis dlm khloroplas yg hanya saat ada cahaya, yaitu pd kompleks ATP-sintase. Kompleks ini merupakan gugus polipeptida yg mengubah ADP dan Pi menjadi ATP dan H2O. Kompleks ini mengandung sebuah tangkai ( Cfo) yg mendukung bagian spt bola ( CF1) yg terletak di STROMA.

- ATP yg dihasilkan dlm kloroplas dihasilkan lebih banyak dr pd fosforilsdi oksidatif dlm mitochondria

   

Fase Terang :

cahaya

Kloroplas + H2O + ADP + Pi + NADP

½ O2 + ATP + NADPH2

Fase Gelap :

gelap

Kloroplas + O2 + CO + ATP + NADPH2

ADP + Pi + NADP + gula dan pati

   

Arnon (1984) menemukan bahwa ATP disintesis dlm kloroplas yg diisolasi hanya pd waktu cahaya , dan proses ini dsb fosforilasi fotosintetik (=fotofosforilasi)

kloroplas

ADP + Pi + cahaya ATP + H2O

Fotosintesis : Terang

Fotosintesis : Terang

FS I dan FS II menggunakan energi cahaya untuk mengoksidasi H2O , dan secara bersama memindahkan 2 elektron yg tersedia ke NADP+ , membentuk NADPH :

FS II FS I 2 NADPH + 2 H+

2 H2O O2 + 4 H+ 2DNAP+

Jika cahaya dg panjang gelombang merah yg lebih panjang, maka laju fotosintesis bahkan lebih cepat dp yg diharapkan dari penjumlahan laju bila setiap warna itu diberikan sendiri-2 .

Sinergisme atau peningkatan ini kemudian dikenal sbg Efek Peningkatan Emerson., Kerjasama antar –fotosistem

1. Aliran elektron nonsiklik melibatkan ke 2 fotosistem & memproduksi NADPH, ATP , O2.

2. Aliran elektron siklik hanya menggunkan FS I , yg memproduksi ATP ttp tidak NADPH dan O2. Produksi ATP selama reaksi terang disebut fotofosforilasi. 3.Mekanismenya ialah kemiosmosis. 4. Reaksi redoks rantai transport elektron yg menghubung-kan ke-2 FS ini menghasilkan gradien H+ melintasi membran tilakoid . 5. ATP sintase menggunakan gaya gerak-proton ini untuk membuat ATP.

Reaksi

Gelap

Fase Karboksilasi = adalah pengikatan CO2 kepada RBP atau RuBP yg dikatalisis oleh enzim Rubisco dan menghasilkan 2 mol PGA.

Fase reduksi= gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi sebuah gugus aldehyda dalam

3-fosfogliseraldehida ( 3-PGaldehida)

Fase Regenerasi = yg diregenerasi adalah RuBP, yang diperlukan untuk bereaksi dg CO2 tambahan yg berdifusi secara konstan ke dlm daun melalaui stomata.

ENERGY BALANCE

6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH

C6H12O6 + 18 (ADP+Pi) + 12 NADP + 6 H2O

18 ATP = > 140 kcal Thus the energy input is

12 NADPH = > 615 kcal = 755 kcal

The energy recovered in hexose is about 670 kcal/mole, ,which represents an efficiency of nearly 90 %.

The wasted 10% is the energy input used to keep the cycle running.

Fosforilasi Oksidatif

1. Pembentukan ATP dari ADP dan Pi secara tidak langsung didorong oleh kecenderungan O2 secara termodinamika untuk reduksi , dan proses ini dikatalisis oleh faktor ATP-sintase. Merupakan pembentukan ATP dlm respirasi, di dalam mitochondria.

2. ATP kmd dipindah dg segera melintasi membran-luar yg jauh lebih permeabel menuju sitosol, tempat ATP menjalankan fungsinya.

Faktor-2 yg mempengaruhi fosforilasi oksidatif, a.l

1.Dinitrifenol mempercepat pengangkutan elektron dan respirasi, krn mampu memperkecil gradien pH.

2.Ion NH4+ merupakan penghambat , meskipun kurang potensial.

3.Oligomisin ( antibiotika yg dihasilkan sp Streotomyces)

4.Asam bongkrekat ( antibiotika yg dihasilkan sp Pseudomonas).

RESPIRASI

Tahap 1. Glikolisis

Tahap 2

Oksidasi Isocitrate sampai terbentuk Succinyl CoA

NADH yg terdapat di mitokondria berasal dari 3 proses utama :

1. daur Krebs

2. glikolisis

3. di daun : oksidasi glisin yang dihasilkan selama proses fotorespirasi ( pd tanaman tipe C3)

Jika NADH dioksidasi, akan dihasilkan ATP.

Di Kloroplas , NADP+ sangat melimpah.

Sebaliknya di Mitokondria, NAD+ yg digunakan sebagai enzim dehidrogenase

Fungsi Utama siklus Krebs :

1. Reduksi NAD+ dan ubiquinon menjadi elektron donor NADH dan ubikuinol, yg akan dioksidasi utk menghasilkan ATP.

2. Sintesis langsung ATP dalam jumlah terbatas ( 1 ATP utk setiap piruvat yg dioksidasi)

3. Pembentukan `kerangka carbon yg dpat digunakan utk mengsintesis asam amino ttt yg kmd diubah menjadi mol yg lebih besar.

Fosforilasi Oksidatif

1. Utk tiap NADH yg dilepaskan pd glikolisis dan utk tiap ubikuinol yg dibtuk pd daur Krebs oleh oksidasi suksinat, hanya terbentuk 2 ATP.

2. Glikolisis menghasilkan 2 ATP dan 2 NADH untuk tiap Hexosa yg digunakan. NADH yg dioksidasi oleh pengangkutan elektron menghasilkan 2 ATP. Total menjadi = 6 ATP.

3. Daur Krebs menyumbang 2 ATP per mol Hexosa atau per 2 piruvat, bila suksinil CoA dipecah menjadi suksinat dan CoASH. Daur ini juga menghasilkan 8 NADH per Hexosa di matriks mitokondria.dan tiap NADH menghasilkan 3 ATP, atau 24 ATP per hexosa.

4. Setiap ubikuinol dari daur Krebz menghasilkan 2 ATP oleh

fosforilasi 0ksidatif, atau 4 ATP per Hexosa.

TOTAL daur Krebs = 30 ATP per Hexosa, di tambah 6 dari Glikolisis

.= 36 ATP.

1 mol glukose , menghasilkan 2 piruvat, dlm glikolisis.

Maka 1 glukose yang masuk siklus Krebs, dpt ditulis :

2 Piruvat + 8 NAD+ + 2 Ubikuinon + 2 ADP2- + 2 H2PO4- + 4 H2O

6 CO2 + 2 ATP3- + 8 NADH + 8 H+

+ 2 ubikuinol.

Katabolisme asam lemak, melalui jalur β oksidase:

1 mol NADH , setara 2 ATP

1 Mol asetil-Coa, setara 12 ATP

1 mol propionil-Coa , setara 4 ATP

1 mol as piruvat, setara 3 ATP

Setiap pemotongan : 2 atom C , menghasilkan 5 ATP

Contoh: senyawa lemak yg dirombak

1) asam hexonoat ( 6 atom C , jumlah atom C genap)

c c c c c c

2 kali pemotongan = 2 x 5 = 10 ATP

3 asetil-Coa = 3 x 12 = 36 ATP

jumlah = 46 ATP - 2 ATP

= 44 ATP

2) Asam lemak 15 C ( ganjil)

C C C C C C C

C C C C C C C C

- 6 kali pemotongan = 6 x 5 = 30 ATP

- 6 acetyl CoA = 6 x 12 = 72 ATP

- 1 propionyl CoA = 1 x 4 = 4 ATP

106 ATP - 2 ATP = 104 ATP

Contoh pada Substrat Karbohidrat : hexosa ( = 6 atom C ) ( sumber Salisbury & Ross, 1992)

glikolisis = 2 ATP

2 NADH ( 2 x 2 )= 4 ATP

= 6 ATP

Siklus Krebs = 2 ATP

8 NADH ( 8 x 3 ) = 24 ATP

2 ubikuinol (2 x 2) = 4 ATP

= 36 ATP

Oksidasi Glukose secara sempurna ( Sitompul, 1995)

1. Glikolisis ---- fosforilasi tingkat substrat 2 ATP

2. Glikolisis –TCA (Cytosol) -- 2 NADH x 2,6 5 ATP

3. TCA -- fosforilasi tingkat substrat 2 ATP

- via malate 8 NADH x 2,6 20 ATP

- via Succinat 2 FADH2 x 1,7 3 ATP

32 ATP

Sumber :

Campbell,N.A., J.B. Reece and L.G. Mitchell. 2000. BIOLOGY. Terjemahan. Fifth Edition. Penerbit Erlangga. Jakarta.

Halaman …….165 dan hal 173

Untuk setiap mol glucose yang dirombak menjadi CO2 dan air oleh respirasi, sel ini menghasilkan kira-2 38 mol ATP.

1. Dengan mengasumsikan bhw yg aktif adlah jenis bolak-balik yg menghasilkan lebih banyak energi, kita dapat menambahkan max sebnyak 34 ATP yg dihasilkanoleh fosforilasi oksidatif ke selisih 4 ATP dari fosforilasi tingkat substrat, sehingga didapat 38 ATP pada garis terbawah. Dan ini agak tinggi utk per glucose.

2. Efisiensi respirasi (dugaan kasar ) : oksidasi sempurna per mol glucose melepaskan energi 686 kcal ( ΔG= - 686 kcal/mol).

3. Fosforilasi ADP utk membentuk ATP menyimpan sedikitnya 7,3 kcal/ mol ATP. Oki efisiensi respi-rasi= 7,3 x 38 ATP, dibagi 686 = kira-2 40%.

ATP A - P P P

3 2 1

AMP + H2O adenosin + Pi

ADP + H2O AMP + Pi

ATP + H2O ADP + Pi

Kharacteristic siklus Fotosintesis Tan tipe C4Asam C4 yg Enzim dekar- Nama Asam C3 Contoh

Ditransp boksilasi yg ditransp

Malate Enzim malate NADP-ME pyruvat jagung, tebu,

yg tergantung cabgrass

NADP (klroplas) shorgum

Aspartate enzim malate NAD-ME Alanine Milet &

yg tergantung pigweed,

NAD (mitikond) Panicum sp

Aspartate Enzim PEPcarbo- PEP-CK Alanine/ Guinea grass,

xykinase (cyto- piruvate Panicum ma-

plasma) ximum