METABOLISME
Aktivitas seluler, seperti tumbuh (grow and reproduce), gerak (move or change shape) dan transport ion secara aktif melalui membran plasma memerlukan energi
In cpt (CO2 + H2O)
Hukum termodinamika I Jumlah energi di dunia ini konstan, artinya bahwa energi tidak dapat diciptakan atau pun dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk energi yang lain. Jumlah total energi dalam suatu sistem dan lingkungan sekitarnya tetap/konstan, karena perubahan energi berlangsung secara konstan pula.
Cellular resp. in mitochondria
ATP powers most cellular works
Fermentation is a partial degradation of sugar that occurs without the help of oxygen
Waste product of respirations CO2 and H2O are the very substances that chloroplasts use as raw materials for photosynthesis, thus the chemical elements essentials to life are recycled but energy is not. It flows into an ecosystem as sunlight and leaves as heat
Perubahan/transformasi energi di dalam tubuh mahluk hidup Berbagai reaksi kimia berlangsung di dalam sel dan jaringan tubuh organisma hidup agar dapat tetap hidup 1. Perakitan molekul sederhana kompleks
menjadi
molekul
yang lebih
(i) untuk membentuk struktur serta menjalankan fungsi sel (ii) disekresikan dari sel-sel khusus untuk digunakan oleh bagian lain dari tubuh mahluk hidup. 2. Energi potensial (ikatan kimia : karbohidrat dan lipida) energi kimia (ATP) energi kinetik (mis. untuk menggerakkan otot) Energi ini dihasilkan dari proses oksidasi selama respirasi
Metabolisme : untuk homeostasis Anabolisme
i. proses asimilasi/ penyusunan/ pembentukan molekul yang lebih kompleks dari molekul yang sederhana ii. Proses anabolisme seringkali memerlukan energi reaksi endergonik.
Contoh-contoh:
sintesis protein dari asam amino, karbohidrat dari gula dan lemak dari asam lemak dan gliserol Homeostasis: the steady-state physiological condition of the body
Katabolisme i.
proses pemecahan atau penguraian molekul yang kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana
ii. respirasi sel merupakan proses katabolisme, pada proses ini akan dihasilkan energi yang disimpan dalam suatu ikatan kimia (reaksi eksergonik).
Stadium I, protein, karbohidrat dan polisakarida dipecah menjadi molekul pembangun Molekul Pembangun Stadium II, seluruh molekul pembangun terdegradasi menjadi hasil yang umum, yaitu kelompok asetil dari asetil Ko-A
Hasil umum dari proses degradasi/ penguraian Stadium III, katabolisme bergabung melalui siklus asam sitrat (TCA) menghasilkan H2O, CO2 dan amonia
Hasil akhir molekul sederhana
Anabolisme dan katabolisme selalu berkaitan, energi yang dihasilkan dari reaksi katabolisme akan digunakan kembali pada saat terjadi penyusunan molekul baru. Energi yang digunakan dalam metabolisme adalah energi kimia, terutama ATP.
Jalur Metabolisme Berbagai reaksi metabolisme terjadi melalui suatu jalur yang berupa seri reaksi kimia Manfaat jalur metabolisme digunakan untuk membangun molekul kompleks atau aktivitas metabolik yang kompleks, menguraikan molekul kompleks tersebut.
Jalur metabolisme dapat berlangsung secara linier, bercabang atau membentuk suatu siklus.
Enzim Reaksi kimia yang spontan dapat terjadi dengan sangat lambat i.e. hidrolisis sukrosa („table sugar‟) menjadi glukosa dan fruktosa Dalam air steril reaksi akan terjadi selama bertahun-tahun pada temperatur kamar. Tapi jika kita tambahkan sedikit saja sukrase, sukrosa akan terhidrolisa dalam hitungan detik Bagaimana enzim dapat melakukan hal itu? Katalis : „a chemical agent‟ that changes the rate of a reaction without being consumed by the reaction Di dalam tubuh mahluk hidup, metabolisme dibantu oleh adanya biokatalis, yang dinamakan enzim
Mempercepat terjadinya suatu reaksi dengan menurunkan energi aktivasi Masing-masing enzim memiliki struktur yang unik berkaitan dengan fungsinya Struktur enzim yang spesifik ini sesuai dengan struktur molekul pereaksi/substratnya „enzymes are substrate specific
Pada suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim Substrat akan berikatan dengan sisi aktif dari enzim („active site) membentuk kompleks sementara yang dinamakan kompleks enzim– substrat Saat dihasilkan produk, enzim kemudian akan dibebaskan kembali tanpa mengubah struktur awalnya Oleh sebab itu, enzim dapat digunakan berulang kali untuk mengkatalis reaksi kimia berikutnya karena struktur serta fungsinya tidak berubah.
Pengaruh faktor lingkungan (fisika dan kimia) sel pada aktivitas enzim Suhu dan pH ko-faktor („non protein helpers‟) (i) Inorganik: misalnya ion logam seng (Zn), tembaga (Cu) dan besi (Fe) (ii) Organik molekul : disebut juga ko-enzim Kebanyakan vitamin yang kita kenal berfungsi sebagai koenzim atau bahan dasar koenzim Cofactor may be bound tightly to the active site as permanent residents or they may bind loosely and reversibly along with the substrate Cofactor functions in various ways but in all cases they are necessary for catalysis to take place
Enzyme inhibitors i. Competitive inhibitors reduce the productivity of enzymes by blocking substrates from entering active sites ii. Noncompetitive inhibitors do not directly compete with the substrate at the active site
They binding to another part of enzyme molecule change its shape and so - the active site unreceptive to substrate or - leaving the enzyme less effective at catalyzing the conversion of substrate to product
Autotrofi Tumbuhan hijau, alga, dan beberapa bakteri dikategorikan sebagai organisme yang autotrof Menggunakan energi matahari untuk merakit prekursor anorganik, terutama CO2 dan H2O, untuk membentuk makromolekul organik (proses fotosintesis)
Heterotrofi Organisme heterotrof mendapatkan energi dari penguraian molekul yang ada di sekitarnya (dalam bentuk makanan), yang berasal dari organisme autotrof. Penguraian molekul organik terjadi pada proses katabolisme (respirasi) untuk membentuk ATP ATP dibutuhkan untuk sintesis makromolekul yang dibuatnya dalam proses anabolisme
INTRODUCTION TO CELLULAR RESPIRATION • Nearly all the cells in our body break down sugars for ATP production • Most cells of most organisms harvest energy aerobically, like slow muscle fibers – The aerobic harvesting of energy from sugar is called cellular respiration – Cellular respiration yields CO2, H2O, and a large amount of ATP
Respiration • Respiration banks energy in ATP molecules
• Cellular respiration breaks down glucose molecules and banks their energy in ATP The process uses O2 and releases CO2 and H2O • ATP powers almost all cell and activities
Glucose
Oxygen gas
Carbon dioxide
Water
Energy
Cells tap energy from electrons transferred from organic fuels to oxygen BASIC MECHANISMS OF ENERGY RELEASE AND STORAGE
• Glucose gives up energy as it is oxidized Loss of hydrogen atoms
Energy Glucose Gain of hydrogen atoms
Hydrogen carriers such as NAD+ shuttle electrons in redox reactions • Enzymes remove electrons from glucose molecules and transfer them to a coenzyme OXIDATION Dehydrogenase and NAD+
REDUCTION
Redox reactions release energy when electrons “fall” from a hydrogen carrier to oxygen • NADH delivers electrons to a series of electron carriers in an electron transport chain – As electrons move from carrier to carrier, their energy is released in small quantities
Electron flow Figure 6.6
• In an explosion, 02 is reduced in one step Energy released as heat and light
Figure 6.6B
Two mechanisms generate ATP 1. Cells use the energy released by “falling” electrons to pump H+ ions across a membrane
High H+ concentration ATP synthase uses gradient energy to make ATP
Membrane
– The energy of the gradient is harnessed to make ATP by the process of chemiosmosis
Electron transport chain
Energy from
ATP synthase
Low H+ concentration
2. ATP can also be made by transferring phosphate groups from organic molecules to ADP
Enzyme
Adenosine
This process is called substrate-level phosphorylation
Organic molecule (substrate)
Adenosine
New organic molecule (product)
Figure 6.7B
Krebs cycle = citric acid cycle coz citric acid is important intermediate = tricarboxylic acid (TCA) cycle coz citric acid and isocitric acid have 3 carboxyl groups
STAGES OF CELLULAR RESPIRATION AND FERMENTATION Overview: Respiration occurs in three main stages Cellular respiration oxidizes sugar and produces ATP in three main stages – Glycolysis occurs in the cytoplasm – The Krebs cycle and – the electron transport chain occur in the mitochondria
An overview of cellular respiration
High-energy electrons carried by NADH
GLYCOLYSIS Glucose
Cytoplasmic fluid
Figure 6.8
Pyruvic acid
KREBS CYCLE
ELECTRON TRANSPORT CHAIN AND CHEMIOSMOSIS
Mitochondrion
Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvic acid
Glucose
Pyruvic acid
Details of glycolysis
Steps 1 – 3 A fuel molecule is energized, using ATP.
Glucose Step
PREPARATORY PHASE (energy investment)
1
Glucose-6-phosphate 2
Fructose-6-phosphate 3
Fructose-1,6-diphosphate
4
Step A six-carbon intermediate splits into two three-carbon intermediates.
4
Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) ENERGY PAYOFF PHASE
5
Step 5 A redox reaction generates NADH. 6
Steps 6 – 9 ATP and pyruvic acid are produced.
1,3-Diphosphoglyceric acid (2 molecules)
7
3-Phosphoglyceric acid (2 molecules)
8
2-Phosphoglyceric acid (2 molecules)
2-Phosphoglyceric acid (2 molecules) 9
Pyruvic acid (2 molecules per glucose molecule)
6.10 Pyruvic acid is chemically groomed for the Krebs cycle • Each pyruvic acid molecule is broken down to form CO2 and a two-carbon acetyl group, which enters the Krebs cycle
Pyruvic acid
Acetyl CoA (acetyl coenzyme A)
CO2 Figure 6.10
•
oxidation of organic fuel, generating many NADH and The Krebs cycleFADH2 molecules Acetyl CoA
is a series of reactions in which enzymes strip away electrons and H+ from each acetyl group
KREBS CYCLE
Figure 6.11A
2 CO2
2 carbons enter cycle Oxaloacetic acid
1
Citric acid CO2 leaves cycle
5 KREBS CYCLE
2
Malic acid
4 Alpha-ketoglutaric acid
3 CO2 leaves cycle Succinic acid
Step 1 Acetyl CoA stokes the furnace Figure 6.11B
Steps 2 and 3 NADH, ATP, and CO2 are generated during redox reactions.
Steps 4 and 5 Redox reactions generate FADH2 and NADH.
6.12 Chemiosmosis powers most ATP production • The electrons from NADH and FADH2 travel down the electron transport chain to oxygen • Energy released by the electrons is used to pump H+ into the space between the mitochondrial membranes • In chemiosmosis, the H+ ions diffuse back through the inner membrane through ATP synthase complexes, which capture the energy to make ATP
• Chemiosmosis in the mitochondrion
Protein complex Intermembrane space
Electron carrier
Inner mitochondrial membrane Electron flow Mitochondrial matrix
ELECTRON TRANSPORT CHAIN Figure 6.12
ATP SYNTHASE
6.13 Connection: Certain poisons interrupt critical events in cellular respiration Rotenone
Cyanide, carbon monoxide
ELECTRON TRANSPORT CHAIN Figure 6.13
Oligomycin
ATP SYNTHASE
•
6.14 Review: Each molecule of glucose yields many molecules of ATPthat enters cellular For each glucose molecule respiration, chemiosmosis produces up to 38 ATP molecules Cytoplasmic fluid
Mitochondrion
Electron shuttle across membranes
GLYCOLYSIS 2 Glucose Pyruvic acid
by substrate-level phosphorylation
2 Acetyl CoA
used for shuttling electrons from NADH made in glycolysis
KREBS CYCLE
by substrate-level phosphorylation
KREBS CYCLE ELECTRON TRANSPORT CHAIN AND CHEMIOSMOSIS
by chemiosmotic phosphorylation
Maximum per glucose: Figure 6.14
6.15 Fermentation is an anaerobic alternative to aerobic respiration • Under anaerobic conditions, many kinds of cells can use glycolysis alone to produce small amounts of ATP – But a cell must have a way of replenishing NAD+
• In alcoholic fermentation, pyruvic acid is converted to CO2 and ethanol
This recycles NAD+ to keep glycolysis working
released GLYCOLYSIS
Glucose Figure 6.15A
2 Pyruvic acid
2 Ethanol
Figure 6.15C
• In lactic acid fermentation, pyruvic acid is converted to lactic acid As in alcoholic fermentation, NAD+ is recycled
Lactic acid fermentation is used to make cheese and yogurt
GLYCOLYSIS
Glucose Figure 6.15B
2 Pyruvic acid
2 Lactic acid
INTERCONNECTIONS BETWEEN MOLECULAR BREAKDOWN AND SYNTHESIS Cells use many kinds of organic molecules as fuel for cellular respiration • Polysaccharides can be hydrolyzed to monosaccharides and then converted to glucose for glycolysis • Proteins can be digested to amino acids, which are chemically altered and then used in the Krebs cycle • Fats are broken up and fed into glycolysis and the Krebs cycle
Pathways of molecular breakdown
Food, such as peanuts
Polysaccharides
Fats
Proteins
Sugars
Glycerol Fatty acids
Amino acids Amino groups
Glucose
G3P GLYCOLYSIS
Pyruvic acid
Acetyl CoA
KREBS CYCLE
ELECTRON TRANSPORT CHAIN AND CHEMIOSMOSIS
Food molecules provide raw materials for biosynthesis • In addition to energy, cells need raw materials for growth and repair – Some are obtained directly from food – Others are made from intermediates in glycolysis and the Krebs cycle • Biosynthesis consumes ATP
• Biosynthesis of macromolecules from intermediates in cellular respiration ATP needed to drive biosynthesis
KREBS CYCLE
GLUCOSE SYNTHESIS
Acetyl CoA
Pyruvic acid
G3P
Glucose
Amino groups Amino acids
Fatty acids Glycerol
Sugars
Proteins
Fats
Polyscaccharides
Cells, tissues, organisms
The fuel for respiration ultimately comes from photosynthesis • All organisms have the ability to harvest energy from organic molecules – Plants, but not animals, can also make these molecules from inorganic sources by the process of photosynthesis
Mitokondria
organel yang termasuk ke dalam sistem membran
tersebar pada sitosol organisme eukariot.
Struktur Mitokondria
1.
Membran luar • •
Fungsi utama : pengubahan energi potensial (dalam bentuk makanan) menjadi ATP
mengelilingi struktur mitokondria secara keseluruhan memiliki protein integral pada membran, yang membentuk saluran untuk memfasilitasi berbagai macam molekul keluar masuk mitokondria
2. Membran dalam
• • •
mengelilingi matriks yang berisi cairan membentuk suatu lekukan ke dalam matriks krista Mengandung 5 kelompok protein integral membran
5 kelompok protein integral membran : 1. NADH dehidrogenase, 2. suksinat dehidrogenase, 3. sitokrom c reduktase (juga dikenal sebagai kompleks sitokrom b-c1), 4. sitokrom c oksidase, 5. ATP sintase
Glikolisis
Glikolisis merupakan proses katabolisme glukosa secara anaerob terjadi pada setiap jenis sel Berlangsung di dalam sitosol Persamaan reaksi : C6H12O6 + 2NAD+ 2C3H4O3 + 2 NADH + 2H+ asam piruvat
Pada glikolisis terdapat 9 reaksi, masing-masing dibantu oleh enzim yang spesifik
Pada tahap 1 dan 3 ATP diubah menjadi ADP dan terjadi proses fosforilasi Pada tahap 5 NAD diubah menjadi NADH + H+ Pada tahap 6 dan 9 ADP diubah menjadi meolekul berenergi tinggi TP Pada tahap 4, gula 6 – C dipecah menjadi 2 senyawa 3 – C, yaitu : 1. Fosfogliseraldehid (PGAL) 2. Dihidroksiaseton dapat diubah menjadi PGAL dengan bantuan enzim isomerase
Akhir dari proses glikolisis 2 molekul asam piruvat (3 – C), dihasilkan 2 ATP dan 2 NADH per molekul glukosa
Pada kondisi anaerob (tanpa kehadiran oksigen), asam piruvat dapat masuk ke jalur : Fermentasi alkohol Fermentasi asam laktat
Fermentasi alkohol : pada ragi
Asam piruvat didekarboksilasi dan direduksi oleh NADH membentuk CO2 dan ethanol
Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H+ CO2 + C2H5OH + NAD+
Proses dinamakan fermentasi alkoholik
Pada otot yang sedang berkontraksi Asam piruvat direduksi oleh NADH membentuk molekul asam laktat
Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H+ C3H6O3 + NAD+ Proses dinamakan fermentasi asam laktat
