Bioenergetics

Energetika Biokimia
Energi Bebas Reaksi
Perubahan energi bebas (DG) reaksi menentukan
spontanitasnya. Reaksi spontan jika DG negatif (jika
enrgi babas produk kurang daripada rekatan).
For a reaction A + B  C + D
[C] [D]
DG = DG ' + RT ln
[A] [B]
o
DGo' = 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]
DG = DGº' + RT ln
[A] [B]
DGo' reaksi bisa positif atau negatif , tergantung
konsentrasi reaktan dan produk seluler .
Bnyak reaksi DGo' positif menjadi spontan karena
reaksi lain menyebabkan pengurangan produk atau
menjaga konsentrasi substrat tinggi.
Pada
kesetimbangan
DG = 0.
[C] [D]
DG = DGº' + RT ln
[A] [B]
[C] [D]
K'eq, rasio [C][D]/[A][B]  = DGº' + RT ln [A] [B]
pada kesetimbangan ,
adalah tetapan
kesetimbangan
(K'eq) yg lebih besar
dari 1 menunjukkan
reaksi spontan ( DG'
negatif).
[C] [D]
DGº' = - RTln
[A] [B]
[C] [D]
defining K'eq =
[A] [B]
DGº' = - RT ln K'eq
DGo' = - RT ln K'eq
Variasi tetapan kesetimbangan DGo' (25 oC)
K'eq
DG º'
kJ/mol
Starting with 1 M reactants &
products, the reaction:
10
4
- 23
proceeds forward (spontaneous)
10
2
- 11
proceeds forward (spontaneous)
100 = 1
10
10
0
is at equilibrium
-2
+ 11
reverses to form “reactants”
-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
terkopel.
Sebagai contoh, di dalam reaksi yg dikatalisis oleh enzim
glikolisis Heksokinase, reaksi setengah adalah:
ATP + H2O  ADP + Pi
DGo' = -31 kJ/mol
Pi + glucose  glucose-6-P + H2O
DGo' = +14 kJ/mol
Reaksi terkopel :
ATP + glucose  ADP + glucose-6-P DGo' = -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
DGo' = + 15 kJ/mol
Enzim 2:
PPi + H2O  2 Pi
DGo' = – 33 kJ/mol
Reaksi spontan keseluruhan :
A + ATP + H2O  B + AMP + 2 Pi DGo' = – 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
NH 2
ATP
adenosine triphosphate
O
-O
P
O-
O
O
P
O-
N
N
O
O
P
O
phosphoanhydride
bonds (~)
N
adenine
CH2
O-
N
O
H
H
OH
H
OH
H
ribose
Ikatan Phosphoanhydride ( yg dibentuk oleh pengeluaran
H2O di antara 2 asam fosfat atau di antara karboksilat dan
asam fosfat) mempunyai DG hidrolisis negatif besar.
NH 2
ATP
adenosine triphosphate
O
-O
P
O-
O
O
P
adenine
N
N
O
O
O-
phosphoanhydride
bonds (~)
P
N
O
CH 2
O-
O
H
H
OH
H
OH
H
N
ribose
Ikatan Phosphoanhydride dikatakan "high energy"
bonds= ikatan berenergi tinggi. Energi ikat tidak tinggi,
tetapi DG hidrolisis.
“Ikatan berenergi tinggi diwakili dg simbul "~“ .
~P mewakili gugus fosfat dg DG 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
CH3
H
N
P
-
O
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
OPO32H+
C
C
C
O-
O
OH
CH2
enolpyruvate
C
O
CH3
pyruvate
Phosphoenolpyruvate (PEP), yg terkait dg sintesis ATP
di dalam Glycolysis, mempunyai DG hidrolisis P sangat
tinggi
.
NH2
N
N
ester linkage
O
-O
P
O-
O
O
P
O-
N
O
O
P
O
CH2
O-
ATP (adenosine triphosphate)
adenine
O
H
H
OH
H
OH
H
N
ribose
Umumnya phosphate esters, yg dibentuk dg pelepasan
air diantara gugus asam fosfat dan OH, mempunyai DG
hidrolisis rendah namun negatif
 Contoh ATP
O
6 CH
2
4
OH
P
OH
O
5
H
O
H
OH
3
H
OH
CH2
H
CH
O
1
H
2
HO
OH
OH
OH
glucose-6-phosphate
CH2
O
P
O-
O-
glycerol-3-phosphate
Contoh lain dari phosphate esters dengan DG
hidrolisis rendah tetapi negatif :
 Glucose-6-phosphate atau glycerol-3-phosphate.
ATP mempunyai peranan khusus dalam pengkopelan
energi& transfer Pi .
DG hidrolisis fosfat dari ATP adalah di tengah
Jadi ATP dapat bertidak sbg donor Pi & ATP dapat
disintesis dg transfer Pi misalnya dari PEP.
Compound
DGo' of phosphate
hydrolysis, kJ/mol
Phosphoenolpyruvate (PEP)
-
Phosphocreatine
-
Pyrophosphate
-
ATP (to ADP)
-
Glucose-6-phosphate
-
Glycerol-3-phosphate
-
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
C
OH
H
H
O
O
O
C
C
C
H 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
Adenine Dinucleotide,
adalah akaseptor edalam jalur katabolik.
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 edalam jalur sintetik.
Nicotinamide
Adenine
Dinucleotide
H
C
NH 2
O
-
O
P
O
+
N
CH 2
O
H
H
OH
OH
NH 2
O
N
N
O
P
nicotinamide
H
H
-
O
O
CH 2
O
H
N
O
adenine
H
esterified to
Pi in NADP+
H
H
OH
N
OH
NAD+/NADH
H
O
H
H
C
C
NH2
+
N
O
 2 e- + H+
NH2
N
R
R
NAD+
NADH
Reaksi transfer elektron :
NAD+ + 2e- + H+  NADH.
Bisa ditulis juga :
NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+
dimethylisoalloxazine
O
H
C
C
N
O
-
H3C
C
C
C
NH
H3C
C
C
C
C
C
H
N
H
C
+
2e +2H
O
N
H
N
H3C
C
C
C
NH
H3C
C
C
C
C
C
H
CH2
FAD
N
O
N
H
CH2
HC
OH
HC
OH
HC
OH O
H2C
C
O
P
O-
Adenine
O
O
P
O-
O
Ribose
FADH2
HC
OH
HC
OH
HC
OH O
H2C
O
P
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