METABOLISME

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