BIOENERGETIKA Oleh: Moammad Hanafi Dan Trimartini 1
BIOENERGETIKA MEMPELAJARI DINAMIKA/ PERUBAHAN ENERGI PADA REAKSI BIOKIMIAWI (REAKSI KIMIA PADA ORGANISME)
2
PADA ILMU KIMIA TELAH DIKENAL ADANYA: ¾ 1.REAKSI EKSOTERMIS: REAKSI YG MENGHASILKAN PANAS ¾ 2.REAKSI ENDOTERMIS: REAKSI YG MEMERLUKAN PANAS PADA SISTEM NON BIOLOGIS ENERGI PANAS DAPAT DIUBAH MENJADI ENERGI MEKANIS ATAU ENERGI LISTRIK
PADA 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)
3
PADA 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. ENDERGONIK R. EKSERGONIK 1 Æ Æ PROSES SINTESIS 2 Æ ~ E Æ KONTRAKSI OTOT 3Æ ÆPENGHANTARAN SARAF 4Æ ÆTRANSPOR AKTIF 4
Eksergonik
G
Panas
Energi kimia
E Eks
~E
End
Endergonik
5
Pada sistim Biologis energi yang dihasilkan sedikit sekali yang dlm bentuk panas. Sebagian besar dalam bentuk senyawa kaya energi (ATP,GTP) Demikian pula reaksi yang memerlukan energi bukan dalam bentuk panas akan tetapi dalam bentuk ATP/GTP
6
MEKANISME PENGAITAN: ¾ 1. MELALUI PEMBENTUKAN SENYAWA ANTARA: A + C Æ | SA | Æ B + D ¾ 2. MELALUI PEMBENTUKAN SENYAWA KAYA ENERGI (~ E ) AD2: CARA: SUATU SENYAWA (E) AKAN MENANGKAP ENERGI YG DIHASILKAN OLEH REAKSI EKSERGONIK Æ ~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 ~ P
7
SENYAWA KAYA ENERGI (~E) ¾
¾
¾
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 SENYAWA KAYA ENERGI (~ E ) LAINNYA MISALNYA FOSFOENOLPIRUVAT, KREATINFOSFAT ( ADA SIMBOL IKATAN BERTENAGA TINGGI (~) TUMBUHAN MENDAPATKAN ENERGINYA DARI FOTOSINTESIS SEDANGKAN HEWAN DAN MANUSIA MENDAPATKANNYA DARI BAHAN MAKANAN
8
9
10
PERUBAHAN ENERGI BEBAS
PADA REAKSI A + B ÅÆ C + D SECARA TERMODINAMIKA: ¾ APABILA Δ G < 0 Æ DIKATAKAN REAKSI KE KANAN BERSIFAT EKSERGONIK (DAPAT BERLANGSUNG SPONTAN) ¾ APABILA Δ G = 0 Æ DIKATAKAN REAKSI SETIMBANG ¾ APABILA Δ G > 0 Æ DIKATAKAN REAKSI KE KANAN BERSIFAT ENDERGONIK (TIDAK DAPAT BERLANGSUNG SPONTAN, KARENA UNTUK DAPAT BERLANGSUNG PERLU ENERGI/ DIKAITKAN DGN REAKSI EKSERGONIK)
11
REAKSI BIOKIMIA DI DALAM SEL UMUMNYA TAK DAPAT BERLANGSUNG DGN SENDIRINYA OLEH KARENA ADANYA HAMBATAN ENERGI (ENERGY BARRIER) Æ JADI PERLU ENZIM UNTUK MENGATASI HAMBATAN ENERGI INI ( ENZIM MENURUNKAN ENERGI AKTIVASI , TETAPI TIDAK MENGUBAH HARGA Δ G )
12
SKEMA kead. transisi tanpa katalisator
E. bebas
E. level
=
G Ea Ea'
dgn katalisator inorg dgn enzim
Ea'' kead. awal
ΔG = Perubahan E. bebas kead. akhir
Perjalanan reaksi 13
OKSIDASI BIOLOGIS ENZIM DAN KOENZIM REAKSI REDOKS
¾
1. OKSIDASE MENGKATALISIS PEMBEBASAN HIDROGEN DARI SUBSTRAT DAN SECARA ALAMI MENGGUNAKAN O2 SEBAGAI AKSEPTORNYA. MENGHASILKAN H2O ATAU H2O2 AH2 + ½ O2 Æ A + H2O AH2 + O2 Æ A + H2O2 OKSIDASE OKSIDASE SEBAGIAN MENGANDUNG FAD/FMN SEBAGAI GUGUS PROSTETIK Æ JADI MERUPAKAN FLAVOPROTEIN
14
CONTOH: L-ASAM AMINO OKSIDASE, GLUKOSA OKSIDASE, ALDEHID DEHIDROGENASE REAKSI : FP + AH2 Æ FPH2 + A LALU FPH2 +O2 Æ FP + H2O2 BILA JUGA MENGANDUNG LOGAM Æ DISEBUT METALLOFLAVOPROTEIN SEBAGIAN TIDAK MENGANDUNG FLAVIN CONTOH: SITOKROM OKSIDASE (MENGANDUNG Cu)
15
2. DEHIDROGENASE TIDAK DAPAT MENGGUNAKAN O2 SEBAGAI AKSEPTOR HIDROGEN YANG DIBEBASKAN DARI SUBSTRAT. MACAM : 1. YANG TERKAIT RANTAI RESPIRASI A. DEHIDROGENASE NAD PADA RANTAI RESPIRASI B. DEHIDROGENASE YG PERLU RIBOFLAVIN (FMN / FAD) YG TERKAIT RANTAI RESPIRASI C. SITOKROM2 KECUALI SITOKROM OKSIDASE R.R. : S Æ NAD+ Æ Fp Æ Q Æ SISTEM SITOKROM Æ O2
16
2. YANG TAK TERKAIT RANTAI RESPIRASI; a. AH2 P BH2 A DEHIDROGENASE KHUSUS A
PH2
B
DEHIDROGENASE KHUSUS B
MEMUNGKINKAN PROSES OKSIDATIF BERLANGSUNG DALAM KEADAAN ANAEROB CONTOH : LAKTAT DEHIDROGENASE (LDH) PIRUVAT + NADH + H+ ÅÆ LAKTAT + NAD+
17
b.
DEHIDROGENASE NADP NADPH DIPAKAI UNTUK SINTESIS ASAM LEMAK, TRIASIL GLISEROL, STEROID DLL.
18
3. HIDROPEROKSIDASE:
SUBSTRATNYA H2O2 A. PEROKSIDASE : H2O2 + AH2 Æ 2 H2O + A B. KATALASE H2O2 + H2O2 Æ 2 H2O + O2 19
4. OKSIGENASE : A. MONOOKSIGENASE (HIDROKSILASE) AH2 + O2 + ZH2 Æ AOH + H2O + Z CONTOH: ENZIM2 PADA SINTESIS STEROID ENZIM2 HIDROKSILASI OBAT2-AN B. DIOKSIGENASE (OKSIGEN TRANSFERASE) : A + O2 Æ AO2 20
PEMBENTUKAN ATP
PEMBENTUKAN ATP DALAM SEL : 1. PEMBENTUKAN ATP PADA TINGKAT RANTAI RESPIRASI TERJADI DALAM MITOKONDRIA CARA PEMBENTUKAN ATP PALING UTAMA 2. PEMBENTUKAN ATP PADA TINGKAT SUBSTRAT: LEWAT REAKSI BIASA MISALNYA : fosfogliserat kinase 1,3 BISFOSFOGLISERAT + ADP + Pi 3 FOSFOGLISERAT + ATP
21
RANTAI RESPIRASI
22
RANTAI RESPIRASI ¾
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 Æ MENGHASILKAN ASETIL KO-A Æ 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. 23
SUKSINAT Fp(FAD) ATP
ATP
ATP
S Æ NAD+ Æ Fp Æ Q Æ SIT b Æ SIT c1 Æ SIT c Æ SIT a Æ SIT a3 Æ ½O2 (FMN) ADP + Pi ADP +Pi ADP + Pi SITE I SITE II SITE III NAD = NIKOTINAMID ADENIN DINUKLEOTIDA FAD = FLAVIN ADENIN DINUKLEOTIDA Q = KOENZIM Q = UBIQUINON 24
NAD+ Æ NADH + H+ È Fp Æ FpH2 È Q Æ QH2 È SISTEM SITOKROM È ½ O2 Æ H2O ¾ ALIRAN ELEKTRON: DARI YG ELEKTRONEGATIF KE YG ELEKTROPOSITIF ¾ SEBELUM SIT a3 TERGOLONG DEHIDROGENASE ¾ SIT a3 TERGOLONG OKSIDASE , JADI DISEBUT SITOKROM OKSIDASE 25
26
RANTAI RESPIRASI MERUPAKAN SERANGKAIAN KATALISATOR DALAM MITOKONDRIA UNTUK TRANSPOR HIDROGEN ATAU H+ DAN e- UNTUK AKHIRNYA DIREAKSIKAN DENGAN O2 MEMBENTUK H2O RANTAI RESPIRASI HANYA BERJALAN DALAM KEADAAN AEROB (ADA O2 ) PADA RANTAI RESPIRASI TERJADI 3 HAL:
1.TRANSPOR HIDROGEN ATAU H+ DAN e- Æ RANGKAIAN PROSES OKSIDASI 2. PEMBENTUKAN ATP : PROSES FOSFORILASI OKSIDATIF 3. PEMAKAIAN O2
JUMLAH ATP YANG TERBENTUK: ¾ ¾
LEWAT DEHIDROGENASE NAD : RATIO P:O = 3:1 LEWAT DEHIDROGENASE FAD TANPA LEWAT NAD : RATIO P:O=2:1 27
28
INHIBITOR RANTAI RESPIRASI SUKSINAT Fp (FAD) S Æ NAD+ Æ Fp Æ Q Æ SIT b ÆSIT c1 ÆSIT c ÆSIT a ÆSIT a3 ƽO2 (FMN) I II III INHIBITOR SISTEM RANTAI RESPIRASI ADALAH SENYAWA2 YANG MENGAKIBATKAN : - RANTAI RESPIRASI TIDAK BERJALAN - ATP TIDAK TERBENTUK
29
1. 2. 3.
TITIK TANGKAP: SITE I : PIERICIDIN A, AMOBARBITAL, ROTENON SITE II: BAL, ANTIMYCIN A SITE III: H2S, CO, CN-
AD 1 DAN 2: MENGHAMBAT ALIRAN ELEKTRON Æ TAK TERBENTUK ATP AD 3 : MENGHAMBAT PEMAKAIAN O2 Æ TAK TERBENTUK ATP
OLIGOMISIN : MENGHAMBAT FOSFORILASI ADP ATRAKTILOSIDA : MENGHAMBAT TRANSPOR ADP MASUK DAN ATP KE LUAR MITOKONDRIA ASAM BONGKREK : SEPERTI ATRAKTILOSIDA 30
UNCOUPLER : CONTOH: 2,4 DINITROFENOL MENGHAMBAT PEMBENTUKAN ATP TETAPI TIDAK MENGHAMBAT OKSIDASI SUBSTRAT MAUPUN PEMAKAIAN O2
31
OKSIDASI NADH DARI LUAR MITOKONDRIA NADH TIDAK DAPAT MENEMBUS MEMBRAN MITOKONDRIA Æ OKSIDASI DITERUSKAN SECARA TAK LANGSUNG : 1. LEWAT MALAT SHUTTLE: 1 MOL NADH + H+ Æ 3 MOL ATP
32
2. LEWAT α-GLISEROFOSFAT SHUTTLE NAD+
GLISEROL-3P
GLISEROL-3P
NADH+ H+
DHAP
DHAP
SITOSOL
MEMBRAN
FAD
FADH2
MITOKONDRIA
DHAP = DIHIDROKSIASETON FOSFAT
1 MOL NADH + H+ Æ 2 MOL ATP 33
HIPOTESIS KIMIA OSMOTIK
Membran dalam mitokondria
M ----- A T R I X
RUANG INTERMEMBRAN
M I T
NADH + O2
RANTAI RESPIRASI
H+
H+
H+
H+
H+
H+
NAD+ + H2O ADP + Pi H+ ATP H+
H+ ATP SINTASE H+ 2,4 DINITROFENOL (UNCOUPLER)
34
MITCHELL MENYEBUTKAN BAHWA OKSIDASI DAN FOSFORILASI DIKAITKAN OLEH GRADIEN PROTON. GRADIEN ELEKTROKIMIA (GRADIEN PROTON) DIBENTUK OLEH POMPA PROTON PADA MEMBRANDALAM 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 . 35
