bio energi tika

Upload: chiieochiie

Post on 09-Feb-2018

238 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    1/23

    1

    Bioenergitika

    Susi Sugiarti

    102007.046

    Fakultas Kedokteran

    Universitas Kristen Krida Wacana

    2013

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    2/23

    2

    PEMBAHASAN

    Kaidah Termodinamika Dalam Sistem Biologik

    Kaidah pertama termodinamika:

    Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang berbunyi: energi total

    sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini berarti bahwa saat terjadi

    perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat

    dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain. Contohnya energi

    kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya.

    HUKUM 1 TERMODINAMIKA (AZAS KEKEKALAN ENERGI)

    Energi dapat dirubah tetapi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan q = jumlah kalor yang diserap/dikeluarkan w = jumlah kerja yang diterima/dilakukan sistem

    Kaidah kedua termodinamika:

    Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin

    berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. Entropi

    akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang

    sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (G)

    pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi (S), diungkapkan dalam

    persamaan:

    G = H TS

    Keterangan: H adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    3/23

    3

    Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat H kurang lebih sama dengan E, perubahan total

    energi internal di dalam reaksi, hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan:

    G = E TS

    Jika G bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi

    eksergonik). Jika G sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa

    membalik (irreversibel).

    Jika G bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika memperoleh energi bebas (reaksi

    endergonik). Bila G sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi.

    Hukum termodinamika

    Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk berbagai

    tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik maupun kimia. Dalam

    banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan sangat efisien menjadi bentuk yang

    berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya diubah menjadi energi ikatan kimia. Dalam

    mitokondria, energi bebas yang terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah

    mnjadi suatu alat tukar energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). Energi ikatan kimia yang

    terkandungdalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksiotot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel sel

    mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP juga

    digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya. Bioenergetika atau thermodinamika biokimia

    menerangkan berbagai macam perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi

    bebas adalah bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat,

    difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua.

    Hukum thermodinamika pertama menyatakan jumlah energi dalam suatu sistem dan

    lingkungannya adalah tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung

    spontan hanya bila jumlah entropi (tingkat kekacauan) suatu sistem dan lingkungannya

    bertambah. Suatu masalah dalam menggunakan entropi sebagai kriteria apakah suatu reaksi

    kimia dapat berjalan spontan, ialah bahwa perubahan entropi reaksi kimia tidak dapat diukur

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    4/23

    4

    secara langsung. Kesukaran ini diatasi dengan menggunakan fungsi thermodinamika lain yang

    disebut energi bebas ( G ) dengan persamaan : tG = tH - T tS . tG adalah perubahan energi bebas

    suatu sistem yang mengalami perubahan pada suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap. tH

    adalah perubahan entalpi (kandungan panas) sistem dan tS perubahan entropinya.

    Perubahan entalpi dinyatakan sebagai : tH = tE PtV, karena perubahan volume, tV

    dalam reaksi biokimia kecil sehingga tH hampir sama dengan tE, maka : tG= tE - T tS .

    Berlawanan dengan perubahan energi dalam sistem (tE ), perubahan energi bebas (tG ) suatu

    reaksi adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah reaksi tersebut dapat berlangsung

    dengan spontan. Suatu reaksi dapat berlangsung spontan hanya bila tG negatif. Bila tG nol,

    sistem berada dalam keseimbangan dan bila positif, diperlukan masukan energi bebas untuk

    menggerakkan reaksi tersebut. ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik Proses dimana

    berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas (eksergonik) selalu dirangkaikan

    dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebas (endergonik).

    Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan

    atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi

    terdapat dalam proses anabolisme. Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik

    harus ada senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik

    dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga

    energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut. Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu

    mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi

    oksidasi yang melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk

    senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi

    tinggi yang utama adalah ATP . ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan

    trifosfat . Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg 2+ atau Mn 2+. Sebagai

    pengembang energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan

    fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi

    adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin

    monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara

    termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam

    lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    5/23

    5

    endergonik (tG = + 13,8 kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi

    lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tG = - 30,5 kj/mol )

    sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan mudah

    dan sangat eksergonik (tG = - 16,7 kj/mol ). Konversi antar ATP, AMP dan ADP adalah

    mungkin. Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ADP +

    ADP. Reaksi ini mempunyai fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP

    untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi

    aktivasi yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan

    konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan

    kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa reaksi biosintesis dijalankan

    oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat

    (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP,

    UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus

    fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida

    difosfat kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDPADP + GTP dan ATP + GMPADP +

    GDP.

    Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi.

    Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1,3 bifosfogliserat,

    asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari

    ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa tersebut dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP

    untuk membentuk ATP. Potensial transfer fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting

    secara biologis seperti glukosa 1 fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol

    3 fosfat lebih rendah dari ATP. Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul

    terfosforilasi tersebut, memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus

    fosforil. ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfoanhidridanya

    disebut sebagai ikatan berenergi tinggi.

    Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas

    ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan P dan

    menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber utama P

    yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    6/23

    6

    P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk menggerakkan proses

    ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis,

    membentuk total dua P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber

    ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A

    menjadi suksinat. Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi

    tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein pembawa asil,

    senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa dan

    5.fosforibosil.1.pirofosfat.

    Reaksi oksidasi molekul bahan bakar dimana NADH dan FADH 2 adalah pengemban

    elektron utama Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, seperti

    glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen.

    Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari molekul bahan bakar atau

    dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat yang dioksidasi memindahkan

    elektronnya kepengemban-pengemban khusus yaitu nukleotida piridin atau flavin. Pengemban

    yang tereduksi ini kemudian memindahkan elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai

    pernapasan yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk

    sebagai hasil aliran elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP

    dari ADP dan ortofosfat ( Pi ).

    Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi sumber utama ATP pada

    organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang berasal dari oksidasi molekul bahan

    bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi biosintesa yang memerlukan daya pereduksi.

    Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD + ) adalah pengemban elektron utama pada oksidasi

    molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD + adalah cincin nikotinamidnya, suatu derivat

    piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid NAD + menerima satu ion hidrogen dan dua

    elektron, yang ekivalen dengan satu ion hidrida(H - ). Bentuk tereduksi pengemban ini disebut

    NADH. Pada dehidrogenasi diatas, satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke

    NAD +, sedangkan yang lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang

    dilepaskan oleh substrat dipindahkan kecincin nikotinamid. Pengembang elektron utama lainnya

    pada oksidasi molekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk

    tereduksinya adalah FADH2. Bagian reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD,

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    7/23

    7

    seperti juga NAD + , dapat menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD + , FAD

    mengambil proton dan juga ion hidrida.

    Reaksi Coupling

    Reaksi Coupling adalah penggabungan reaksi eksergonik & endergonik.

    CONTOH REAKSI EKSERGONIK

    Glikolisis: adalah proses perubahan GlukoseAsetil coA + ATPSiklus Kreb: adalah proses perubahan Asetil coAH + ATP

    Fosforilasi Oksidatif: hdala proses pereaksiaan antara H + OH2O + energi, danenergi yang terbentuk digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP

    CONTOH REAKSI ENDERGONIK

    Sintesa: protein, enzim, hormon, antibodi

    Kontaksi otot: gerak, nafas, jantung

    Eksitasi saraf: berpikirTransport aktif: pompa Na-K, reabsorpsi tubulus nefron

    Reaksi Coupling

    1. Pembentukan senyawa antara: A+C I B+DI = common obligatory intermediate (senyawa antara/senyawa kaya energi)

    2. Pembentukan senyawa kaya energy (~E)Senyawa-senyawa kaya energi:

    Tiol ester mencakup koenzimA, misal: asetil koA

    Acyl carrier protein (ACP) Senyawa ester asam amino S- adenosilmetionin (metionin aktif) UDPGIc (Uridin diphospat glukosa)

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    8/23

    8

    Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan pengalihan energi

    Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan pasokan energi

    bebas dari lingkungannya. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses

    eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri

    tertentu menggunakan reaksi Fe2+

    Fe3+

    . Sebaliknya organisme heterotrofik, memperoleh

    energi bebasnya dengan melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.

    Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses

    eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin,

    ribosa dan 3 gugus fosfat (lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi

    sebagai kompleks Mg2+

    ATP diperlihatkan sebagai kompleks magnesium

    ATP dan ADP

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    9/23

    9

    Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera

    pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2

    kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki G lebih rendah dari pada G0pada

    ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai G lebih tinggi daripada G0 pada

    ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan sebagainya.

    Senyawa biologik penting lain yang berenergi tinggi adalah tiol ester yang mencakup

    koenzim A (misal asetil-KoA), protein pembawa asil, senyawa-senyawa ester asam amino yang

    terlibat dalam sintesis protein, S-adenosilmetionin (metionin aktif), uridin difosfat glukosa dan 5-

    fosforibosil-1-pirofosfat.

    Tabel 3.1 Energi bebas baku hasil hidrolisis beberapa senyawa organofosfat yang memiliki

    peran penting dalam biokimia

    Senyawa G

    kJ/mol kkal/mol

    Fosfoenolpiruvat

    Karbamoil fosfat

    1,3-bifosfogliserat

    (sampai 3-fosfogliserat)

    Kreatin fosfat

    ATP ADP + Pi

    ADPAMP + Pi

    Pirofosfat

    Glukosa 1-fosfat

    Fruktosa 6-fosfat

    -61,9

    -51,4

    -49,3

    -43,1

    -30,5

    -27,6

    -27,6

    -20,9

    -15,9

    -14,8

    -12,3

    -11,8

    -10,3

    -7,3

    -6,6

    -6,6

    -5,0

    -3,8

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    10/23

    10

    AMP

    Glukosa 6-fosfat

    Gliserol 3-fosfat

    -14,2

    -13,8

    -9,2

    -3,4

    -3,3

    -2,2

    Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~. Simbol ini

    menunjukkan bahwa gugus yang melekat pada ikatan, pada saat peralihan pada suatu akseptor

    yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan kuantitas energi bebas yang lebih besar. Oleh

    karena itulah sebagian ahli biokimia lebih menyukai istilah potensial pemindahan gugus

    daripada ikatan berenergi tinggi.

    Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1, maka ATP merupakan donor fosfat berenergi

    tinggi (donor energi bebas) bagi senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat

    menerima fosfat berenergi tinggi untuk membentuk ATP dari senyawa yang berada di atas ATP

    dalam tabel. Akibatnya siklus ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan ~

    dan proses-proses yang menggunakan ~. Dengan demikian ATP terus dikonsumsi dan terus

    diproduksi.Proses terjadi dengan kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP sangat kecil

    dan hanya cukup untuk mempertahankan jaringan aktif dalam beberapa detik saja.

    Ada 3 sumber utama ~yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi.

    1. Fosforilasi oksidatifFosforilasi oksidatif adalah sumber ~terbesar dalam organisme aerobik. Energi bebas

    untuk menggerakkan proses ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam

    mitokondria dengan menggunakan oksigen.

    2. GlikolisisDalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~ yang terjadi akibat pembentukan

    laktat

    3. Siklus asam sitratDalam siklus asam sitrat satu ~dihasilkan langsung pada tahap suksinil tiokinase.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    11/23

    11

    Senyawa kaya energi (~e)

    atp: adenosinp ~ p ~ p (adenosin trifosfat) atp adalah suatu nukleotida yg dalam bentuk aktifnya membentuk kompleks

    dengan mg++ ataumn++

    peranan atp sbg pembawa energi terletak pada gugusan trifosfat yg mengandung 2ikatan fosfoanhidrid. hidrolisis ikatan ini akan melepaskan banyak energi bebas.

    analog atp : gtp, ctp, utp senyawa kaya energi (~ e ) lainnya misalnya fosfoenolpiruvat, kreatinfosfat( ada

    simbol ikatan bertenaga tinggi (~)

    tumbuhan mendapatkan energinya dari fotosintesis sedangkan hewan dan manusiamendapatkannya dari bahan makanan

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    12/23

    12

    Perubahan energi bebas

    pada reaksi a + b c+ d

    Secara termodinamika:

    apabila g < 0dikatakan reaksi ke kanan bersifat eksergonik (dapat berlangsungspontan)

    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)

    reaksi biokimia di dalam sel umumnya tak dapat berlangsung dgn sendirinya oleh karenaadanya hambatan energi (energy barrier) jadi perlu enzimuntuk mengatasi hambatan

    energi ini ( enzim menurunkan energi aktivasi , tetapi tidak mengubah harga g )

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    13/23

    13

    RANTAI RESPIRASI

    Mitokondria

    tempat pembentukan atp paling utama dalam sel, sebab

    a. mengandung jalur/ daur yg banyak menghasilkan energi:

    1. siklus asam sitrat

    2. oksidasi beta asam lemak

    menghasilkan asetil ko-a

    masuk siklus asam sitrat

    b. 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 ). h+ dan elektron akhirnya

    dengan oksigen membentuk h2o.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    14/23

    14

    Rantai respirasi merupakan serangkaian katalisator dalam mitokondria untuk transpor hidrogen

    atau h+dan e-untuk akhirnya direaksikan dengan o2membentuk h2o. Rantai respirasi hanya

    berjalan dalam keadaan aerob (ada o2).

    pada rantai respirasi terjadi 3 hal:

    1. 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 = 3:1 lewat dehidrogenase fad tanpa lewat nad : ratio p:o=2:1

    Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif

    NADH dan FADH 2yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi

    asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi

    karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai

    potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah

    besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya

    perbedaan potensial oksidasi reduksi (E0) atau potensial transfer elektron memungkinkan

    elektron mengalir dari unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih

    rendah) ke unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    15/23

    15

    elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran dalam

    mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya

    terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradien pH dan potensial listrik

    transmembran yang kemudian mendorong proton mengalir kembali kedalam matriks melalui

    suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien

    proton pada membran dalam mitokondria.

    Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer elektron dari

    NADH atau FADH 2 kepada oksigen melalui serangkaian pengemban elektron. Proses ini adalah

    sumber utama pembentukan ATP pada organisme aerob. Pembentukan ATP dalam glikolisis

    sempurna glukosa menjadi CO 2 dan H2 O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari

    proses fosforilasi oksidatif. Komplek-komplek enzym yang terangkai pada membran dalam

    mitokondria untuk pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH 2 ke oksigen

    molekuler dimana terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan.

    Komplek enzym tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom reduktase

    dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga komplek yang lain, tidak

    memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak

    proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym

    sebagai pompa proton yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase.

    Komplek-komplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin,

    kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu

    susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks

    mitokondria. Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q

    reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah awal adalah

    pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida (FMN), gugus

    prostetik komplek ini, menjadi bentuk tereduksi, FMNH 2 . Elektron kemudian ditransfer dari

    FMNH 2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis kedua gugus prostetik dalamNADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q,

    dikenal juga sebagai ubiquinon.

    Ubiquinon mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi

    kedua terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH 2 ) yang terikat

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    16/23

    16

    enzym. Pasangan elektron pada QH 2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S) kedua yang

    ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil dalam inti hidrofobik

    membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini menyebabkan terpompanya empat H + dari

    matriks kesisi sitosol membran dalam mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui.

    Ubiquinol ( QH 2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH 2 enzym-enzym

    flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian dari komplek

    suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein integral membran dalam

    mitokondria. FADH 2 tidak meninggalkan komplek, elektronnya ditransfer kerumpun belerang-

    besi dan kemudian ke Q untuk masuk dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain

    seperti gliserol fosfat dehidrogenase dan asil-ko-A dehidrogenase yang membentuk gugus

    prostetik tereduksi FADH 2 , elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut

    flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein). Selanjutnya ETF

    memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk masuk rantai pernapasan dalam

    bentuk QH 2. Berbeda dengan komplek I, komplek II dan enzym lain yang mentransfer elektron

    dari FADH 2 ke Q tidak memompa proton karena perubahan energi bebas dari reaksi yang

    dikatalisanya terlalu kecil. Itulah sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH 2 lebih

    sedikit dari pada melalui NADH.

    Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase atau ubiquinol-

    sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc 1atau disebut juga komplek III. Sitokrom

    merupakan protein pemindah elektron yang mengandung heme sebagai gugus prostetik.

    Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer elektron dari QH 2 kesitokrom c dan secara

    bersamaan memompa proton sebanyak dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua

    sitokrom yaitu b dan c 1 dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai

    polipeptida lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c 1

    yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya. Sitokrom oksidase,

    komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai pernapasan, mengkatalisis transferelektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase

    mengandung dua gugus heme yang berbeda dari heme pada sitokrom c dan c 1 karena gugus

    rantai samping hemenya dan ikatannya pada enzym secara non kovalen.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    17/23

    17

    Heme komplek ini dikenali sebagai heme a dan heme a 3, karenanya komplek ini juga

    disebut sitokrom aa 3 . Selain heme komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal

    dengan Cu A dan Cu B. Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA

    dan satu lagi kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah

    menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan ekseptor elektron terminal yang ideal.

    Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak termodinamik yang besar untuk

    fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton empat H+ kesisi sitosol dari membran. Sejumlah

    ATP yang dibentuk pada peristiwa fosforilasi oksidatif dirantai pernapasan tidak begitu pasti

    karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP dan proses transport metabolite tidak harus

    dalam jumlah bulat atau bernilai tetap. Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari

    matriks kesisi sitosol membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron,

    masing-masing adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui

    ATP sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu H+

    tambahan. Dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran sepasang elektron

    dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap komplek III, misalnya yang

    berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira 1,5 ATP per pasangan elektron.

    Kecepatan fosforilasi oksidatif ditentukan oleh kebutuhan ATP. Transport elektron terangkai erat

    dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai pernapasan ke oksigen bila tidak ada

    ADP yang secara simultan mengalami fosforilasi menjadi ATP.

    Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber elektron lain dengan

    potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting dalam menentukan kecepatan

    fosforilasi oksidatif adalah kadar ADP. Kecepatan konsumsi oksigen oleh mitokondria

    meningkat tajam bila ditambahkan ADP dan kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan

    sudah difosforilasi menjadi ATP. Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi.

    Kepentingan fisiologis mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai

    dan dengan demikian fosforilasi oksidatif terangkai dengan penggunaan ATP. Elektron tidakmengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak diperlukan.

    Transfer elektron dalam rantai pernapasan dapat dihambat oleh banyak inhibitor spesifik.

    Inhibitor-inhibitor ini dibagi menjadi tiga golongan yaitu inhibitor rantai pernapasan, inhibitor

    fosforilasi oksidatif dan pemutus rangkaian (uncoupler) fosforilasi oksidatif.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    18/23

    18

    Amobarbital (barbiturat), pierisidin A (antibiotik), insektisida dan rotenon (racun ikan)

    menghambat transfer elektron dalam NADH-Q reduktase dengan menyekat pemindahan elektron

    dari Fe-S ke Q. Karboksin dan TTFA menghambat aliran elektron dalam suksinat-Q reduktase,

    sedangkan malonat merupakan inhibitor kompetitif dari enzym suksinat dehidrogenase.

    Dimerkaprol dan antimisin A menghambat elektron dari sitokrom b dalam sitokrom reduktase.

    Racun klasik seperti H2S, karbon monoksida (CO), sianida (CN-) dan azida (N3-) menghambat

    sitokrom oksidase dan dapat menghentikan respirasi secara total. Oligomisin (antibiotik)

    menghambat fosforilasi dan dengan begitu juga menghambat oksidasi sedangkan atraktilosida

    dan asam bongkrek menghambat pengangkutan ADP kemitokondria dan ATP keluar

    mitokondria, sehingga menganggu fosforilasi oksidatif. Senyawa-senyawa pemutus rangkaian

    memisahkan proses oksidasi dalam rantai pernapasan dengan proses fosforilasi. Pemisahan ini

    menyebabkan respirasi menjadi tak terkendali, karena konsentrasi ADP dan ortofosfat tidak lagi

    membatasi laju respirasi . senyawa-senyawa ini antara lain adalah dinitrofenol, dinitrokresol,

    pentaklorofenol dan yang memiliki daya paling kuat sampai seratus kali lebih besar dari yang

    lain adalah CCCP (klorokarbonil sianida phenilhidrazon).

    Elektron dari NADH sitosol

    Membran dalam mitokondria tidak permeabel terhadap NADH dan NAD+. NADH yang

    terbentuk pada glikolisis disitosol, pada oksidasi gliseraldehid 3-fosfat, harus dioksidasi kembali

    menjadi NAD+ untuk kelangsungan glikolisis. Bagaimana NADH sitosol dapat dioksidasi

    melalui rantai pernapasan bila tidak dapat masuk kemitokondria? Pemecahannya adalah

    elektronnya saja yang dibawa melintasi membran mitokondria. Salah satu pembawa adalah

    gliserol 3-fosfat yang dapat menyebrangi membran luar mitokondria. Langkah pertama dalam

    sistem ini adalah pemindahan elektron dari NADH ke dihidroksiaseton fosfat membentuk

    gliserol 3- fosfat yang dikatalisa oleh gliserol 3-fosfat dehidrogenase. gliserol 3-fosfat berdifusi

    kedalam mitokondria dan dioksidasi kembali menjadi dihidroksiaseton fosfat pada permukaan

    luar membran dalam mitokondria. Sepasang elektron dari gliserol 3- fosfat ditransfer kegugus

    prostetik gliserol dehidrogenase mitokondria. Enzym ini berbeda dengan enzym serupa yang ada

    disitosol, karena menggunakan FAD dan bukan NAD sebagai akseptor elektron selain itu juga

    merupakan protein transmembran. Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk kemudian berdifusi

    kembali kedalam sitosol untuk melengkapi sistem angkut ini. Flavin tereduksi dalam

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    19/23

    19

    mitokondria memindahkan elektronnya kepembawa elektron Q dan masuk rantai pernapasan

    dalam bentuk QH2. Akibatnya hanya terbentuk 1,5 ATP dan bukan 2,5 ATP bila NADH sitosol

    yang dioksidasi dalam rantai pernapasan diangkut oleh gliserol 3-fosfat. Penggunaan FAD

    memungkinkan elektron dari NADH sitosol ditranspor kedalam mitokondria melawan gradien

    konsentrasi NADH , walaupun untuk itu , sistem angkut ini harus merugi satu ATP dibanding

    bila sistem menggunakan NAD +.

    Sistem angkut ini terutama berperan pada otot terbang serangga yang dapat

    mempertahankan kecepatan fosforilasi oksidatif yang sangat tinggi. Dalam jantung dan hati,

    elektron dari NADH sitosol dibawa kedalam mitokondria melalui sitem angkut malat-aspartat,

    yang menggunakan dua penggemban membran dan empat enzym. Diawali dengan transfer

    elektron dari NADH sitosol ke oksaloaetat, membentuk malat, yang kemudian melintasi

    membran dalam mitokondria dan dioksidasi kembali melalui NAD+ dalam matriks mitokondria

    membentuk NADH. Karena oksaloasetat yang dibentuk tidak mudah melintasi membran dalam

    mitokondria, diperlukan reaksi transaminasi untuk membentuk aspartat, yang dapat diangkut

    kesisi sitosol. Berbeda dari sistem angkut gliserol fosfat , NADH hanya dapat dibawa kedalam

    mitokondria bila ratio NADH / NAD+ disitosol lebih tinggi dari pada dimatriks mitokondria.

    Protein pengangkut dalam mitokondria

    Mitokondria merupakan organel yang berbentuk lonjong, biasanya dengan panjang

    kurang lebih dua mikrometer dan diameter setengah mikrometer. Mitokondria mengandung

    susunan rantai pernapasan, enzym-enzym siklus asam sitrat dan enzym-enzym oksidasi asam

    lemak. mitokondria memiliki dua sistem membran, membran luar dan membran dalam yang luas

    dan berlipat-lipat. Lipatan-lipatan pada membran dalam disebut krista. Dua kompartemen dalam

    mitokondria yaitu ruang antar membran (ruang antara membran dalam dan membran luar

    mitokondria) dan matriks yang dibatasi membran dalam. Membran luar cukup permeabel untuk

    sebagian besar molekul kecil dan ion, karena mengandung banyak porin, suatu proteintransmembran dengan pori besar. Sebaliknya hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat

    menembus membran dalam. Sekelompok besar protein transport mengangkut metabolit seperti

    ATP dan sitrat, melalui membran dalam kedalam matriks dan sebaliknya. Kedua sisi membran

    dalam disebut sisi matriks (sisi negatif) dan sisi sitosol (sisi positif) karena potensial membran

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    20/23

    20

    antara dua sisi tersebut. Sisi ruang antar membran dikatakan sisi sitosol karena dapat dicapai oleh

    hampir semua molekul kecil dalam sitosol.

    ATP dan ADP tidak berdifusi bebas melintasi membran dalam mitokondria. Suatu

    protein transport spesifik, ATP-ADP translokase (pembawa adenin nukleotida), memungkinkan

    molekul yang tinggi muatan ini menyebrangi sawar permeabilitas membran dalam mitokondria.

    Aliran ATP dan ADP terangkai secara antiport, ADP masuk matriks bila ATP keluar matriks

    mitokondria, dan sebaliknya. Pertukaran ATP-ADP sangat banyak mengunakan energi, kurang

    lebih seperempat energi yang dihasilkan pada transfer elektron melalui rantai pernapasan.

    Beberapa protein pengangkut atau pengemban mitokondria lain untuk ion dan metabolite

    bermuatan bekerja dengan cara simport dan antiport. Pengemban fosfat, bekerja bersama dengan

    translokase ATP-ADP, menyebabkan pertukaran antara Pi (sebagai ion H2PO4-) dengan OH

    atau simport dari Pi dan H+ .

    Kerjasama kedua pengangkut ini, menyebabkan pertukaran ADP dan Pi sitosol dengan

    ATP matriks, disertai masuknya satu H+. Pengemban dikarboksilat, memungkinkan malat,

    suksinat dan fumarat dikeluarkan dari mitokondria secara antiport dengan Pi. Pengemban

    trikarboksilat, mengangkut sitrat dan satu proton masuk mitokondria secara antiport dengan

    malat. Pengemban piruvat, membawa masuk piruvat dari sitosol kematriks mitokondria secara

    simport dengan H+ atau secara antiport dengan OH-. Pengangkut ketoglutarat, membawa

    masuk ketoglutarat secara antiport dengan malat.Protein-protein pengangkut mitokondria ini

    dan lebih dari lima yang lainnya mempunyai struktur yang sama. Membran dalam mitokondria

    bersifat permeabel bebas terhadap molekul kecil yang tidak bermuatan, seperti air, oksigen, CO2,

    NH3 dan asam monokarboksilat (seperti 3-hidroksibutirat, asetoasetat, dan asetat ),sedangkan

    asam lemak rantai panjang masuk mitokondria dengan pembawa karnitin.

    Kreatin fosfat mengangkut fosfat energi tinggi

    Gerakan ulang alik kreatin fosfat memungkinkan pemindahan cepat fosfat energi tinggi

    dari mitokondria kesitosol. Gerakan ini menguatkan fungsi kreatin fosfat sebagai pendapar

    energi dengan bekerja sebagai suatu sistem yang dinamis untuk pemindahan fosfat energi tinggi

    dari mitokondria pada jaringan yang aktif seperti otot jantung dan otot skelet. Jumlah ATP pada

    otot hanya mencukupi untuk menopang aktivitas produksi selama kurang dari satu detik. Otot

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    21/23

    21

    vertebrata mengandung gudang fosfat energi tinggi dalam bentuk kreatin fosfat (fosfokreatin),

    yang dapat dengan mudah mentransfer fosfat energi tingginya ke ADP membentuk ATP.

    Kreatin fosfat mempertahankan konsentrasi ATP tinggi selama periode kerja otot.

    Kreatin kinase yang ada pada ruang antar membran mitokondria, mengkatalisa

    pemindahan fosfat energi tinggi dari ATP kepada kreatin. Selanjutnya, kreatin fosfat yang

    terbentuk diangkut kesitosol melalui porin (pori-pori protein) yang terdapat pada membran luar

    mitokondria. Isozym kreatin kinase yang berbeda mengantarai pemindahan fosfat energi tinggi

    ke dan dari berbagai sistem yang menggunakan atau menghasilkannya. CKa, kreatin kinase yang

    bertanggung jawab terhadap kebutuhan ATP yang besar, seperti kontraksi otot.

    CKc, kreatin kinase untuk mempertahankan keseimbangan antara kreatin dan kreatin fosfat, juga

    keseimbangan ATP dan ADP. CKg, kreatin kinase yang menggabungkan glikolisis

    pada kreatin untuk sintesa kreatin fosfat. Dan CKm, kreatin kinase mitokondria yang

    memperantarai pembentukan kreatin fosfat dari ATP yang terbentuk melalui fosforilasi

    oksidatif. Kreatin fosfat + ADP + H+ ATP + kreatin, energi bebas standart

    hidrolisa kreatin fosfat adalah 10,3 kkal/mol, dibandingkan dengan hidrolisa ATP yang 7,3

    kkal/mol maka, perubahan energi bebas standart pada pembentukan ATP

    dari kreatin fosfat adalah 3 kkal/mol. Potensial transfer fosforil kreatin fosfat yang lebih tinggi

    dari ATP, menyebabkan kreatin fosfat menjadi dapar fosfat energi tinggi yang sangat efektif.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    22/23

    22

    Kesimpulan

    1. Reaksi berlangsung spontan bila terjadi pelepasan energi bebas (tG negatif) yaitu reaksitersebut bersifat eksergonik, dan jika tG positif, reaksi hanya berlangsung bila diperoleh

    energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik.

    2. ATP adalah zat perantara penukar energi bebas, yang merangkaikan proses-proses yangbersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik.

    3. Enzym oksidase dan dehidrogenase memiliki peran utama dalam proses rantaipernapasan.

    4. Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan menggunakan potensial energi darigradien proton untuk mensintesa ATP dari ADP dan Pi. Dengan demikian jelas terlihat

    bahwa rangkaian reaksi oksidasi terangkai erat dengan fosforilasi.

    5. Terdapat sejumlah senyawa kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi oksidasi danperistiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi.

    6. Terdapat protein pengangkut khusus untuk perlintasan beberapa ion dan metabolit padamembran mitokondria.

  • 7/22/2019 Bio Energi Tika

    23/23

    DAFTAR PUSTAKA

    1. Champe P C PhD, Harvey R A PhD. Lippincotts Illustrated Reviews:Biochemistry 2nd .1994 : 6172

    2. Lehninger A, Nelson D, Cox M M. Principles of Biochemistry 2nd 1993 : 364 -394

    3. Murray R K, et al. Harpers Biochemistry 25th ed. Appleton & Lange. America2000 : 123 - 148

    4. Stryer L.1995. Biochemistry 4th : 184187 ; 443451 ; 488498 ; 529 - 553