METABOLISME ENERGI Metabolisme : segala proses reaksi kimia yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup Energi : kemampuan makhluk hidup untuk melakukan aktivitas Metabolisme energi dipelajari bioenergitika
Disebut juga termodinamika biokimia yang merupakan ilmu pengetahuan tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia
Studi tentang transformasi energi atau aliran perpindahan energi yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup
Metabolisme Anabolisme Sintesa molekul-molekul kecil menjadi lebih besar
membutuhkan energi
Reaksi reduksi
Katabolisme Merombak/proses penguraian molekul-molekul besar menjadi molekul-molekul kecil
Melepaskan energi Reaksi oksidasi
Energi bebas : - merupakan energi yang berguna dalam sebuah sistem - mempertahan makhluk hidup pada status yang jauh dari seimbang - dapat diperoleh dari lingkungan Dalam sistem kimia dikenal dengan istilah potensial kimia Fototrof : memperoleh energi dengan menangkap cahaya
Kemotrof : memperoleh energi melalui oksidasi bahan makanan ditansformasikan ke dalam bentuk yang sangat mudah digunakan Makhluk hidup memerlukan energi bebas untuk 3 tujuan utama 1. Pelaksanaan kerja mekanis, kontraksi otot, dan gerakan sel lainnya 2. Transpor aktif molekul-molekul dan ion-ion 3. Sintesis makromolekul dan biomolekul lainnya dari zat mula yang sederhana
Tahapan pembentukan energi dari bahan makanan
POLISAKARIDA
LEMAK
PROTEIN Tahap I
Asam lemak dan gliserol
Glukosa dan gula lainnya
Asam amino Tahap II
Asetil KoA KoA ADP
ATP O2
e¯ Fosforilasi oksidatif
Daur asam sitrat
2CO2
Tahap III
ΔG : adalah perubahan energi bebas merupakan bagian dari total perubahan energi dalam sebuah sistem yang tersedia untuk melakukan pekerjaan Sistem non biologis : dapat meggunakan energi panas untuk melakukan kerja Sistem biologis : bersifat isotermik meggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan Cabang ilmu fisika yang Mengikuti kaidah umum termodinamika membahas tentang energi dan transformasinya Kaidah I : total energi sebuah sistem termasuk energi sekitarnya adalah konstan Hukum penyimpanan energi Artinya bahwa tidak ada energi yang hilang ataupun yang diperoleh pada saat terjadinya perubahan akan tetapi energi dalam keseluruhan sistem dapat dialihkan dari satu bagian sistem ke bagian lain atau ditranformasikan menjadi bentuk energi lainnya. Ex. Energi kimia menjadi energi panas, listrik, pancaran, mekanis
Kaidah II : Entropi total sebuah sistem harus meningkat bila suatu proses berlangsung spontan. Entropi menggambarkan taraf kelainan/keteracakan sistem dan akan mencapai taraf maksimal dalam sebuah sistem ketika ketika keseimbangan sebenarnya tercapai Kondisi suhu dan pH konstan Perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi dan perubahan entropi (ES) adalah : ΔE : perubahan total energi ΔG = ΔE - TΔS internal dalam reaksi TΔS : suhu absulut ΔG = negatif Reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas atau bersifat eksergonik ΔG sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan pada hakekatnya tidak bisa balik kembali (irreversible)
ΔG = positif Reaksi berlangsung hanya kalau dapat diperoleh energi bebas atau bersifat endergonik ΔG sangat besar, sistem akan stabil dengan sedikit atau tanpa kecenderungan untuk terjadinya reaksi ΔG = 0 Sistem berada dalam keseimbangan dan tidak ada perubahan netto yang terjadi ΔG0’ Perubahan energi bebas yang baku pada keadaan standar (pH 7) ΔG0 Perubahan energi bebas pada konsentrasi reaktan 1,0 mol/L
A Panas
Energi bebas
D
Energi kimia
C
A + C B + D + panas
B
Perangkaian reaksi eksegonik dengan endergonik
Senyawa-senyawa berenergi tinggi
1. Senyawa pirofosfat ATP (adenosin triphosphat) senyawa fosfat berenergi tinggi karena memperlihatkan penurunan energi yang sangat besar jika terjadi hidrolisis Donor energi bebas Terlibat dalam berbagai reaksi, baik eksergonik maupun endergonik dalam semua jenis kehidupan
Peran utamanya dalam pertukaran energi pada sistem biologi diperlihatkan oleh Fritz Lipmann dan Herman Kalckar tahun 1941
ATP : terdiri dari adenin, ribosa, dan trifosfat pengemban energi pada bagian fosfatnya molekul kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung ikatan berenergi tinggi ikatan fosfoanhibrida
NH2
NH2
N
N
C
C
C
C
CH
N
N O P
¯O
¯O
O
4’C
¯O
H H 3’ 2’ N C
¯O
P ¯O
P ¯O
¯O
H
C C
CH
N
O O
P ¯O
O
O
4’C
C1’ H H 3’ 2’ N C HO
H
OH
ADP (adenosin diphosphat)
C N
5’ CH2
O
4’C H
O
N
5’ CH2
H
N
O O
P
N
OH
HO
O
¯O
HC O
N
O
P
NH2
C1’
H
AMP (adenosin monophosphat)
O
N
5’ CH2
O
C
HC
C
HC
CH
N
C1’ H H 3’ 2’ N C HO
H
Bentuk aktifnya membentuk kompleks dengan kation Mg2+ atau Mn2+
OH
ATP (adenosin triphosphat)
ATP + H2O
↔ ADP + Pi + H+ ΔG0‘ = -7,3kkal/mol
ATP + H2O ↔ AMP + Pii + H+ ΔG0‘ = -7,3kkal/mol
< = > tergantung pada kekuatan ion dalam medium dan konsentrasi Mg2+ dan Ca2+ serta protein (enzim)
Gerakan Transpor aktif, Biosintesis, Amplifikasi sinyal
ADP
ATP
Bisa sampai -12 kkal/mol
Fotosintesis atau oksidasi molekul-molekul bahan bakar Daur ATP-ADP adalah cara dasar pertukaran energi pada sistem biologi
Enzim yang mengkatalisis adenilat kinase (miokinase)
ATP yang utama lebih banyak sebagai donor langsung energi bebas daripada bentuk simpanan jangka panjang Dipakai 1 menit setelah dibentuk
Pergantiannya sangat cepat Aktivitas (gerakan, transpor aktif, biosintesis, sinyal) terjadi jika ATP terus menerus kembali dibentuk dari ADP
2. Nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP GTP (guanosin trifosfat) UTP (uridin trifosfat) CTP (sitidin trifosfat) Nukleotida monofosfat GMP UMP CMP
ATP + GDP ↔ ADP + GTP ATP + GMP
↔ ADP + GDP
Beberapa reaksi biosintesis dijalankan nukleotida ini
Enzim dapat mengkatalisis transfer gugus fosforil terminal dari satu nukleotida ke nukleotida yang lain
3. Asil – fosfat ex. 1,3-Difosfogliserat 1,3-Difosfogliserat + H2O 1,3-fosfogliserat + Pi ΔG0‘ = -11,8 kkal/mol 4. Fosfat enolik fosfoenolpiruvat •Memiliki potensi fosforil (pemindahan gugus fosforil) tinggi. •Dapat memindahkan gugus fosforil ke ADP untuk membentuk ATP. fosfoenolpiruvat + H2O asam piruvat (bentuk keto) + Pi ΔG0‘ = -14,8 kkal/mol
5. Guadinium fosfat Kreatin fosfat/fosfokreatin, argininafosfat •Mempertahankan konsentrasi ATP tetap tinggi selama periode kerja otot. •Sumber utama ~ P bagi pelari selama 4 detik pertama lari cepat 100 m.
•Gudang ~ P (gugus fosforil) pada otot •Kelimpahan dan potensial transfer fosforil yang lebih tinggi dari ATP menjadikannya donor ~ P yang sangat efektif •Berperan sebagai fosfagen simpanan energi ATP . Fosfagen tidak berperan langsung dalam fungsi biologis tapi akan bermanfaat lewat ADP
Kreatin fosfat + ADP + H+ ATP + kreatin ΔG0‘ = -10,3 kkal/mol Dikatalisis oleh kreatin kinase
6. NADH dan FADH2 Molekul bahan bakar = glukosa dan asam lemak oksidasi
Akseptor elektron ke O2 tetapi tidak secara langsung Disebut juga pengemban tereduksi
Dipindahkan kepengembanpengemban khusus
Memindahkan elektron potensi tinggi ke O2 melalui transpor elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron mendorong sintesis ATP dari ADP + Pi Proses disebut fosforilasi oksidatif
NAD+ akseptor elektron utama pada oksidasi bahan bakar / substrat atom nitrogen tetravalen dan mengemban 1 muatan positif
•Bagian reaktif = cincin nikotinamida derivat piridin •Pada oksidasi substrat cincin nikotinamida menerima 1 ion hirdrogen dan 2 elektron yang ekuivalen dengan satu ion hidrida •Bentuk tereduksi adalah NADPH NADH atom nitrogen trivalen H NAD+ + R – C – R
↔ NADH + R – C – R’ + H+
OH
O FAD dan FADH2 Bagian reaktifnya cincin isoaloksazim Dapat menerima 2 elektron H H FAD + R – C – C – R’ H
H
↔ FADH2 + R – C = C – R’ H
H
Biosintesis reduktif donor elektronnya adalah NADPH
Mengemban elektron dengan cara yang sama dengan NADP tapi hanya untuk biosintesis reduktif, sedang NADP untuk pembentukan ATP
Bentuk tereduksi dari NADP
7. Ester tiol asetil KoA : Pengemban universal gugus asil Gugus atau situs reaktifnya adalah gugus sulfidril
Ditemukan Lipmann 1945
Kofaktor stabil panas
Gugus asil diikatkan dengan KoA dengan ikatan tioester Derivatnya asil KoA Unit asetil Asetil KoA
Asetil KoA + H2O ↔ Asetat + KoA + H+ ΔG0‘ = -7,5 kkal/mol
Beberapa pengemban aktif dalam metabolisme Molekul pengemban
Gugus yang dibawa dalam bentuk aktif
ATP NADH dan NADPH FADH2 FMNH2 Koenzim A Lipoamid Tiamin pirofosfat Biotin Tetrahidrofolat S-adenosilimetionin Uridin difosfat glukosa Sitidin difosfat diasilgliserol Nukleosida trifosfat
Fosforil Elektron Elektron Elektron Asil Asil Aldehida CO2 Unit satu karbon Metil Glukosa Fosfatidat nukleotida
