BIOENERGETIKA

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