Energetika Biokimia
Energi Bebas Reaksi Perubahan energi bebas (∆G) reaksi menentukan spontanitasnya. Reaksi spontan jika ∆G negatif (jika enrgi babas produk kurang daripada rekatan).
For a reaction A + B C + D [C] [D] G=∆ G ' + RT ln ∆ [A] [B] o
∆Go' = perubahan energi bebas standard ( pada pH 7, reakatan dan produk 1M ); R = tetapan gas; T = suhu
For a reaction A + B C + D [C] [D] G=∆ Gº' + RT ln ∆ [A] [B]
∆Go' reaksi bisa positif atau negatif , tergantung konsentrasi reaktan dan produk seluler . Bnyak reaksi ∆Go' positif menjadi spontan karena reaksi lain menyebabkan pengurangan produk atau menjaga konsentrasi substrat tinggi.
Pada kesetimbangan ∆G = 0. K'eq, rasio [C][D]/[A][B] pada kesetimbangan , adalah tetapan kesetimbangan (K'eq) yg lebih besar dari 1 menunjukkan reaksi spontan ( ∆G°' negatif).
[C] [D] ∆ G = ∆ Gº' + RT ln [A] [B] [C] [D] 0 = ∆ Gº' + RT ln [A] [B] [C] [D] ∆ Gº' = - RTln [A] [B] [C] [D] defining K'eq = [A] [B] ∆ Gº' = - RT ln K'eq
∆Go' = − RT ln K'eq Variasi tetapan kesetimbangan ∆Go' (25 oC)
K'eq
G º' ∆ kJ/mol
Starting with 1 M reactants & products, the reaction:
10
4
- 23
proceeds forward (spontaneous)
10
2
- 11
proceeds forward (spontaneous)
0
10 = 1
0
is at equilibrium
10
-2
+ 11
reverses to form “reactants”
10
-4
+ 23
reverses to form “reactants”
Energy coupling Reaksi spontan bisa menggerakkan reaksi tak-spontan Peruabahan energi bebas reaksi terkopel : additif. A. Beberapa rekasi enzimatik dapat diinterpretasikan sbg dua reaksi stengah terkopel, satu spontan dan yg lain tak-spontan. Pada sisi aktif enzim, reaksi terkopel secara kinetik terfasilitasi, sementara reaksi setengah individu terhalangi. Perubahan energi bebas reaksi-reaksi setengah dijumlahkan , menghasilkan energi bebas reaksi
Sebagai contoh, di dalam reaksi yg dikatalisis oleh enzim glikolisis Heksokinase, reaksi setengah adalah: ATP + H2O ↔ ADP + Pi
∆Go' = −31 kJ/mol
Pi + glucose ↔ glucose-6-P + H2O
∆Go' = +14 kJ/mol
Reaksi terkopel : ATP + glucose ↔ ADP + glucose-6-P ∆Go' = −17 kJ/mol Struktur sisi aktif enzim , dari mana H2O dikeluarkan, menghalangi rekasi hidrolitik individu, menyokong reaksi terkopel.
B. Dua rekasi terpisah, yg terjadi di dalam bagian ruangan seluler yg sama, satu spontan yang lain tidak, dapat terkopel oleh common intermediate ( reaktan dan produk ). Enzim 1: A + ATP ↔ B + AMP + PPi ∆Go' = + 15 kJ/mol Enzim 2: PPi + H2O ↔ 2 Pi ∆Go' = – 33 kJ/mol Reaksi spontan keseluruhan : A + ATP + H2O ↔ B + AMP + 2 Pi ∆Go' = – 18 kJ/mol Pyrophosphate (PPi) sering sbg produk rekasi yg membutuhkan gaya pendorong. Hidrolisis spontan PPi, yg dikatalisis oleh enzim Pyrophosphatase , menggerakkan rekasi dimana PPi dihasilkan sebagai produk.
“Ikatan Berenergi Tinggi NH2
ATP adenosine triphosphate O -O
P O-
O O
P O-
N
N
O O
P
O
phosphoanhydride bonds (~)
H
N
adenine
CH2
O-
N
O
H
H
OH
H OH
ribose
Ikatan Phosphoanhydride ( yg dibentuk oleh pengeluaran H2O di antara 2 asam fosfat atau di antara karboksilat dan asam fosfat) mempunyai ∆G hidrolisis negatif besar.
ATP adenosine triphosphate
O -O
P O-
O O
P O-
adenine N
phosphoanhydride bonds (~)
P
N
N
O O
NH2
O
CH2
OH
N
O
H
H
OH
H OH
ribose
Ikatan Phosphoanhydride dikatakan "high energy" bonds= ikatan berenergi tinggi. Energi ikat tidak tinggi, tetapi ∆G hidrolisis. “Ikatan berenergi tinggi diwakili dg simbul "~“ . ~P mewakili gugus fosfat dg ∆G hidrolisis besar.
“High energy” bonds Senyawa “high energy bonds” dikatakan mempunyai potensi pemindah gugus tinggi Sbg contoh, Pi bisa dipotong secara spontan dari ATP utk ditransfer ke senyawa lain (misalnya kegugus hidroksil pada glukosa).
2 ~P bonds dapat dipotong, sebagai 2 fosfat yg dilepaskan dg hidrolisis dari ATP. AMP~P~P AMP~P + Pi
(ATP ADP + Pi)
AMP~P AMP + Pi
(ADP AMP + Pi)
Alternatively: AMP~P~P AMP + P~P
(ATP AMP + PPi)
P~P 2 Pi
(PPi 2Pi)
ATP sering melayani sbg sumber energi. Pemotongan hidrolitik satu atau dua ikatan berenergi tinggi di dalam ATP dikopel dengan reaksi yg memerlukan energi (non-spontan) AMP berfungsi sbg sensor energi & sbg regulator metabolisme. Jika produksi ATP tidak mencukupi kebutuhan , AMP konsentrasi tinggi. AMP merangsang jalur metabolik yg menghasilkan ATP. • Some examples of this role involve direct allosteric activation of pathway enzymes by AMP. • Some regulatory effects of AMP are mediated by the
Reaksi yg penting untuk menyetimbangkan ~P dalam bentuk adenin nukleotida di dalam sel dikatalsis oleh Adenilat Kinase: ATP + AMP ↔ 2 ADP Reaksi Adeniklat Kinase juga peting karena substrat untuk sintesis , misalnya mitochondrial ATP Synthase, s ADP, sedangkan beberapa reaksi-seluler dephosphorylate ATP semuanya menghasilkan AMP. Enzim Nucleoside Diphosphate Kinase (NuDiKi) menyetimbangkan ~P diantara bermacam nukleotida yg dibutuhkan misalnya untuk sintesis DNA & RNA. NuDiKi mengkatalisis reaksi dapat balik berikut:: ATP + GDP ↔ ADP + GTP, ATP + UDP ↔ ADP + UTP, dll
Inorganic polyphosphate (Pi) Banayk organisme menyimpana energi sbg inorganic polyphosphate, suatu rantai panjang residu phosphate yg terhubungkan oleh ikatan phosphoanhydride: P~P~P~P~P... Hydrolisis rsidu Pi dari polyphosphate dapat dikopel dg reaksi yg membutuhkan energi. Tergantung organismenya atau tipe selnya, inorganic polyphosphate bisa mempunyai fungsi tambahan. Misalnya , utk cadangan Pi, pengikat ion logam , buffer, atau regulator.
aPhosphocreatine (creatine phosphate), senyawa lain berenergi tinggi digunakan dalam syaraf dan otot utk simpanan ~P .
O −
O
H N
P O
−
CH3 C
N
O CH2
C
NH2+
O−
phosphocreatine
Creatine Kinase mengkatalisis : Phosphocreatine + ADP ↔ ATP + creatine Ini reaksi dapat balik , dg tetapan kesetimbangan agak mengarah ke pembentukan phosphocreatine . Phosphocreatine diproduksi ketika level ATP tinggi. Jika ATP berkurang misalnya ketika otot bekerja, phosphate ditransfer dari phosphocreatine ke ADP, utk memulihkan konsentrasi ATP.
O−
O C C
CH2
PEP
O−
O ADP ATP
OPO32− H+
C
C C
O−
O
OH
CH2
enolpyruvate
C
O
CH3
pyruvate
Phosphoenolpyruvate (PEP), yg terkait dg sintesis ATP di dalam Glycolysis, mempunyai ∆G hidrolisis P sangat tinggi .
NH2 N
ester linkage O -O
P O-
O O
P O-
N
O O
P
O
CH2
O-
ATP (adenosine triphosphate)
H
N
N
adenine O
H
H
OH
H OH
ribose
Umumnya phosphate esters, yg dibentuk dg pelepasan air diantara gugus asam fosfat dan OH, mempunyai ∆G hidrolisis rendah namun negatif Contoh ATP
O 6 CH
2
4
OH
P OH O
5
H
O
H OH 3
H
OH H 1
H 2
OH
CH2
OH
glucose-6-phosphate
HO
OH
CH CH2
O O
P
O−
O−
glycerol-3-phosphate
Contoh lain dari phosphate esters dengan ∆G hidrolisis rendah tetapi negatif : Glucose-6-phosphate atau glycerol-3-phosphate.
ATP mempunyai peranan khusus dalam pengkopelan energi& transfer Pi . ∆G hidrolisis fosfat dari ATP adalah di tengah Jadi ATP dapat bertidak sbg donor Pi & ATP dapat disintesis dg transfer Pi misalnya dari PEP. Compound
∆Go' of phosphate hydrolysis, kJ/mol
Phosphoenolpyruvate (PEP)
−61.9
Phosphocreatine
−43.1
Pyrophosphate
−33.5
ATP (to ADP)
−30.5
Glucose-6-phosphate
−13.8
Glycerol-3-phosphate
−9.2
Oksidasi atom besi berkaitan dg pelepasan elektron e- ke penerima e-): Fe++ (reduced) Fe+++ (oxidized) + eKarena di dalam ikatan C-O tergabung dg O, kenaikan oksidasi atom C berarti kenaikan jumlah ikatan C-O. H H
C H
H H H
C H
OH
H
O
O
O
C
C
C
H H
OH
O
Increasing oxidation of carbon
Oksidasi karbon berjalan spontan (penghasil energi). Dua pembawa e− yg penting di dalam metabolisme : NAD+ & FAD.
NAD+, Nicotinamide Nicotinamide Adenine Dinucleotide, adalah akaseptor e- dalam Adenine Dinucleotide jalur katabolik. O Cincin nicotinamide diturunkan dari vitamin n niacin, menerima 2 e- & 1 H+ (hidrida) menjado keadaan terduksi , NADH.
−
NADP+/NADPH serupa tetapi untuk Pi. NADPH : donor e− dalam jalur sintetik.
−
O
P
O
H
C + N
CH2
O
H
nicotinamide
H OH
OH NH2
O
N
N P
NH2
H
H
O
O
O
CH2
O
H
N O
adenine
H
esterified to Pi in NADP+
H
H OH
N
OH
NAD+/NADH H
O C
+ N
H
H
C
NH2 + 2 e− + H+
O
N
R
R
NAD+
NADH
Reaksi transfer elektron : NAD+ + 2e− + H+ ↔ NADH. Bisa ditulis juga : NAD+ + 2e− + 2H+ ↔ NADH + H+
NH2
dimethylisoalloxazine H3C
C
H3C
C
H C
C H
FAD
C C
N
N
C C
O C
N
−
2e +2H
NH C
+
O
CH2 HC
OH
HC
OH
HC
OH O
H2C
O
P O-
Adenine
O O
P O-
O
Ribose
H3C
C
H3C
C
H C
C H
C C
FADH2
H N
N
O C C
CH2
C
N H
HC
OH
HC
OH
HC
OH O
H2C
O
P O-
NH C
O
Adenine
O O
P
O
O-
FAD (Flavin Adenine Dinucleotide), diturunkan dari vitamin riboflavin, f berfungsi sbg akseptor e−. Cincin dimethylisoalloxazine mengalami reduksi atau oksidasi. FAD menerima 2 e− + 2 H+ menuju keadaan tereduksi FAD + 2 e− + 2 H+ ↔ FADH2
Ribose
