Materi 4 Bioenergetik

Materi 4 Bioenergetik
Energi, anabolisme, katabolisme
BIOENERGETIKA , OKSIDASI BIOLOGI DAN RANTAI
RESPIRASI
Bioenergetika dan ATP
Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah
ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang
menyertai reaksi biokimia. Sistem nonbiologik dapat
menggunakan energi panas untuk melangsungkan
kerjanya. Sedangkan sistem biologik bersifat
isotermik dan menggunakan energi kimia untuk
memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Kaidah Termodinamika
• Kaidah termodinamika dalam sistem biologik
• Kaidah pertama termodinamika:
• Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan
energi, yang berbunyi: energi total sebuah sistem,
termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini
berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam
sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh.
Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem
atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain.
Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi
listrik, panas, mekanik dan sebagainya
lanjutan
• Kaidah kedua termodinamika:
• Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus
meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi
adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem.
Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring
sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Dalam
kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara
perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang
bereaksi, dengan perubahan entropi (ΔS), diungkapkan dalam
persamaan:
• ΔG = ΔH – TΔS
• Keterangan: ΔH adalah perubahan entalpi (panas) dan T
adalah suhu absolut.
lanjutan
• Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat ΔH kurang lebih
sama dengan ΔE, perubahan total energi internal di dalam
reaksi, hubungan di atas dapat diungkapkan dengan
persamaan:
• ΔG = ΔE – TΔS
• Jika ΔG bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan
kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika ΔG sangat
besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan
tidak bisa membalik (irreversibel).
• Jika ΔG bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika
memperoleh energi bebas (reaksi endergonik). Bila ΔG sangat
besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi
reaksi.
lanjutan
• Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan
dan pengalihan energi
• Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus
mendapatkan pasokan energi bebas dari lingkungannya.
Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses
eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau
menggunakan energi cahaya matahari, bakteri tertentu
menggunakan reaksi Fe2+  Fe3+. Sebaliknya organisme
heterotrofik, memperoleh energi bebasnya dengan
melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik
kompleks.
lanjutan
• Mg2+
• Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam
pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke
proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat
yang mengandung adenin, ribosa dan 3 gugus fosfat
(lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP
berfungsi sebagai kompleks Mg2+
•
Gambar 3.1 ATP diperlihatkan sebagai kompleks
magnesium
lanjutan
• Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa
fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel 3.1.
Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat
pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama,
fosfat berenergi rendah yang memiliki ΔG lebih
rendah dari pada ΔG0 pada ATP. Kedua, fosfat
berenergi tinggi yang memiliki nilai ΔG lebih tinggi
daripada ΔG0 pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP
dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan
sebagainya.
lanjutan
• Senyawa biologik penting lain yang berenergi
tinggi adalah tiol ester yang mencakup
koenzim A (misal asetil-KoA), protein
pembawa asil, senyawa-senyawa ester asam
amino yang terlibat dalam sintesis protein, Sadenosilmetionin (metionin aktif), uridin
difosfat glukosa dan 5-fosforibosil-1-pirofosfat.
lanjutan
• Tabel 3.1 Energi bebas baku hasil hidrolisis beberapa senyawa
• organofosfat yang memiliki peran penting dalam biokimia
• Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan
dengan ~℗. Simbol ini menunjukkan bahwa gugus yang
melekat pada ikatan, pada saat peralihan pada suatu akseptor
yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan kuantitas energi
bebas yang lebih besar. Oleh karena itulah sebagian ahli
biokimia lebih menyukai istilah potensial pemindahan gugus
daripada ikatan berenergi tinggi.
lanjutan
• Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1, maka ATP merupakan
donor fosfat berenergi tinggi (donor energi bebas) bagi
senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat
menerima fosfat berenergi tinggi untuk membentuk ATP dari
senyawa yang berada di atas ATP dalam tabel. Akibatnya siklus
ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan
~℗ dan proses-proses yang menggunakan ~℗. Dengan
demikian ATP terus dikonsumsi dan terus diproduksi. Proses
terjadi dengan kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP
sangat kecil dan hanya cukup untuk mempertahankan
jaringan aktif dalam beberapa detik saja.
lanjutan
• Ada 3 sumber utama ~℗ yang berperan dalam konservasi
atau penangkapan energi.
1. Fosforilasi oksidatif
• Fosforilasi oksidatif adalah sumber ~℗ terbesar dalam
organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan proses
ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam mitokondria
dengan menggunakan oksigen.
2. Glikolisis
• Dalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~℗ yang
terjadi akibat pembentukan laktat
3. Siklus asam sitrat/Siklus Krebs/Siklus Asam Tri Karboksilat
• Dalam siklus asam sitrat satu ~℗ dihasilkan langsung pada
tahap suksinil tiokinase.
lanjutan
4. Oksidasi biologi
• Oksidasi adalah pengeluaran elektron dan reduksi
adalah pemerolehan elektron. Sebagai contoh adalah
oksidasi ion fero menjadi feri yang dilukiskan pada
Gambar 3.3. Dengan demikian oksidasi akan selalu
disertai reduksi akseptor elektron.e- (elektron)
• Fe2+ Fe3+
• Gambar 3.3 Oksidasi ion fero menjadi feri
lanjutan
• Enzim-enzim penting dalam oksidasi biologi
• Enzim-enzim yang terlibat dalam reaksi
reduksi dan oksidasi dinamakan enzim
oksidoreduktase. Terdapat 4 kelompok enzim
oksidoreduktase yaitu: oksidase,
dehidrogenase, hidroperoksidase dan
oksigenase.
lanjutan
•
•
Oksidase
Enzim oksidase mengkatalisis pengeluaran
hidrogen dari substrat dengan menggunakan
oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzimenzim tersebut membentuk air atau
hidrogen peroksida. Contoh peran enzim
tersebut dilukiskan pada Gambar 3.4
lanjutan
lanjutan
• Gambar 3.4 Oksidasi metabolit yang dikatalisis
oleh enzim oksidase
• Termasuk sebagai oksidase antara lain
sitokrom oksidase, oksidase asam L-amino,
xantin oksidase, glukosa oksidase.
lanjutan
•
•
•
•
Dehidrogenase
Dehidrogenase tidak dapat menggunakan oksigen
sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim ini
memiliki 2 fungsi utama yaitu:
Pertama, berperan dalam pemindahan hidrogen
dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam
reaksi reduksi-oksidasi berpasangan.
Kedua, sebagai komponen dalam rantai respirasi
pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.
Reaksi Oksidasi Reduksi
lanjutan
• Gambar 3.5 Oksidasi suatu metabolit yang
dikatalisis oleh enzim-enzim dehidrogenase
• Contoh dari enzim dehidrogenase adalah
suksinat dehidrogenase, asil-KoA
dehidrogenase, gliserol-3-fosfat
dehidrogenase, semua sitokrom kecuali
sitokrom oksidase.
lanjutan
•
•
Hidroperoksidase
Enzim hidroperoksidase menggunakan hidrogen
peroksida atau peroksida organik sebagai substrat.
Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini
yaitu peroksidase dan katalase. Enzim
hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap
senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya.
Penumpukan peroksida menghasilkan radikal
bebas yang dapat merusak membran sel dan
menimbulkan kanker serta aterosklerosis.
lanjutan
•
•
Hidroperoksidase
Enzim hidroperoksidase menggunakan hidrogen
peroksida atau peroksida organik sebagai substrat.
Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini
yaitu peroksidase dan katalase. Enzim
hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap
senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya.
Penumpukan peroksida menghasilkan radikal
bebas yang dapat merusak membran sel dan
menimbulkan kanker serta aterosklerosis.
lanjutan
•
•
Oksigenase
Oksigenase mengkatalisis pemindahan
langsung dan inkorporasi oksigen ke dalam
molekul substrat. Enzim ini dikelompokkan
menjadi 2 yaitu monooksigenase dan
dioksigenase.
Rantai Respirasi
• Rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif
• Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai
pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian
besar peristiwa penangkapan energi yang berasal
dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem
respirasi dengan proses pembentukan intermediat
berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi
oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan
organisme aerob menangkap energi bebas dari
substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar
daripada organisme anaerob.
Fosforilasi Oksidatif
• Proses fosforilasi oksidatif
• Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari
oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan
asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor
elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron
tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen,
melainkan dipindah ke pengemban-pengemban
khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida
(
Fosforilasi oksidatif di Mitokhondria
• NAD+) dan flavin adenin dinukleotida (FAD).
• Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron
ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat
pada sisi dalam membran mitokondria (Gambar 3.7). Gradien
proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini
kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan
bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan
fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari
rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan
proton melintasi membran. Proses ini dinamakan
kemiosmosis.
• Gambar 3.7 Ringkasan proses fosforilasi oksidatif di dalam
mitokondriaRantai transport elektron membawa proton dan elektron,
memindahkan elektron dari donor ke akseptor dan mengangkut proton
melalui membran.
• Kompleks INADH + H+FMNFe2+SCoQNAD+FMNH2Fe3+SCoQH2Kompleks
IISuccinateFADFe2+SCoQFumarateFADH2Fe3+SCoQH2Kompleks
IIICoQH2cyt b oxFe2+Scyt c1
oxcyt c redCoQcyt b redFe3+Scyt c1 redcyt c oxKompleks IVcyt c redcyt a
oxcyt a3 redO2cyt c oxcyt a redcyt a3 ox2 H2OGambar 3.8 Tahap-tahap
proses fosforilasi oksidatifSecara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5
proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing kompleks
I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V (Tabel 3.2).
• Tabel 3.2 Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi
oksidatif
• NamaPenyusun kDa PolypeptidesKompleks INADH
dehydrogenase (or)
NADH-coenzyme Q reductase80025Kompleks IISuccinate
dehydrogenase (or)
Succinate-coenzyme Q reductase1404Kompleks IIICytochrome
C - coenzyme Q oxidoreductase2509-10Kompleks
IVCytochrome oxidase17013Kompleks VATP synthase3801214
• Pada Gambar 3.8, kotak biru (gelap) di bawah menunjukkan
reaksi oksidasi-reduksi yang terjadi pada masing-masing
kompleks enzim. Singkatan-singkatan diuraikan sebagai
berikut: FMN: flavin mononukleotida, Fe2+S: besi tereduksisulfur, Fe3+S: besi teroksidasi-sulfur, cyt: sitokrom, CoQ:
koenzim Q.
lanjutan
•
•
Kompleks I
Pada tahap ini, masing-masing molekul
NADH memindahkan 2 elektron berenergi
tinggi ke FMN, kemudian ke protein besisulfur dan terakhir ke koenzim Q (ubiquinon)
•
lanjutan
•
•
Kompleks II
FADH2 dihasilkan oleh suksinat
dehidrogenase dalam siklus asam sitrat,
memindahkan elektron ke CoQ melalui
kompleks II. FADH2 dihasilkan oleh asil KoA
dehidrogenase dalam oksidasi beta asam
lemak, memindahkan elektron ke CoQ
melalui kompleks yang sama.
lanjutan
lanjutan
•
•
Kompleks III
CoQ memindahkan elektron ke serangkaian
sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom
terdiri atas kelompok heme seperti
hemoglobin dan besi dengan heme
menerima elektron.
lanjutan
lanjutan
lanjutan
•
•
Kompleks III
CoQ memindahkan elektron ke serangkaian
sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom
terdiri atas kelompok heme seperti
hemoglobin dan besi dengan heme
menerima elektron.
lanjutan
•
•
Kompleks IV
Penerima terakhir dari rantai transport
elektron adalah kompleks besar terdiri atas 2
heme dan 2 atom tembaga.
lanjutan
lanjutan
•
•
Kompleks V
Pada tahap ini, protein kompleks yang
mengkatalisis konversi ADP menjadi ATP,
diisikan oleh gradien kemiosmotik. Proton
mengalir kembali ke matriks mitokondria
melalui kompleks ATP sintase dan energi
berasal dari penurunan gradien pH
digunakan untuk membentuk ATP.
lanjutan
lanjutan
• Pada fosforilasi oksidatif, pelibatan NADH
menghasilkan pembentukan 3 molekul ATP,
sedangkan pelibatan FADH2 menghasilkan
pembentukan 2 molekul ATP.
Metabolisme
Metabolisme – semua proses kimia
dan reaksi kimia yang terjadi dalam sel
• 1. Katabolisme ( Katabolik )
– Pemecahan molekul organik kompleks menjadi
senyawa sederhana
– Melepaskan ENERGI
• 2. Anabolisme
( Anabolik)
– Pembentukan / Pembangunan molekul organik
kompleks dari senyawa sederhana
– Membutuhkan ENERGI
Enzymes - adalah katalis yang mempercepat dan
langsung terlibat mempercepat reaksi kimia, enzym
sendiri tidak ikut dalam reaksi
• A. Enzym yg kerjanya spesifik
– Lipase
– Sukrase
– Urease
– Protease
– Dnase
Lemak / Lipida
Sukrose
Urea
Protein
DNA
Penjelasan tentang spesifitas Enzym
yang diterangkan dengan teori Lock
and Key Theory
E + S -----> ES ------> E + P
Pemberian Nama Enzym – adalah
memberikan tambahan “ase” pada substrat
•
•
•
•
•
•
Sukrosa
Lemak
DNA
Protein
Pemindahan Hydrogen
Pemindahan fofat
Sukrase
Lipase
DNase
Protease
Dehydrogenase
Phosphotase
Penggolongan Enzym berdasarkan
aktivitasnya
• Juga berdasarkan proses yang dikatalisa
• 1. Oxidoreductase
oxidation & reduction
• 2. Hydrolase
hydrolysis
• 3. Ligase
synthesis
Komponen Enzyme Ada 2 bagian
1. Apoenzym - senyawa protein
2. Koenzym (Kofaktor) - senyawa, zat nonprotein
Holoenzym - keseluruhan enzim -
Koenzym
• Babarapa diperoleh dari vitamin
• 1. Niasin
– NAD (Nikotinamid adenin dinukleotida)
• 2. Riboflavin
– FAD (Flavin adenin dinucleotida)
• 3. Asam Pantantotenat (Pantothenic Acid)
– CoEnzyme A
Faktor2 yg berpengaruh terhadap
Aktivitas Enzymatik
Denaturasi Protein
Penghambat yang berpengaruh thdp
aktivitas enzimatik
1. Penghambat Kompetitif
2. Penghambat Nonkompetitif
Penghambat Kompetitif – memblok
sisi aktif
• 1. Penisilin
– Memblok sisi aktif enzim sehingga terjadi
penghambatan karena adanya jembatan silang
pentaglisin
• 2. Sulfanilamid ( Obat2 Sulfa )
– memblok sisi aktif pada enzym yg mengkorvensi
PABA menjadi Asam Folat
• Folic Acid - required for the synthesis of DNA and RNA
Selective Toxicity
Non-competitive Inhibitors - attach to
an allosteric site
Produksi Energi
• 1. Oksidasi
– Menunjuk pada lepasnya / hilangnya Hidrogen
dan atau elektron
• 2. Reduksi
– Penangkapan/Penggabungan Hidrogen dan/atau
elektron
NAD Cycle
Katabolisme Karbohidrat
• Mikroorganisme mengoksidasi karbohidrat
sebagai sumber energi primer
• Glukosa – secara umum dapat menjadi
sumber energi
• Energi dapat dihasilkan dari Glucosa dengan
cara :
– Respirasi
– Fermentasi
Respirasi Selular secara Aerobik
• Elektron dilepaskan dari oksidasi melalui cara
Sistem Transport Elektron ( Electron Transport
System ) dengan oksigen sebagai penerima
elektron (Final Electron Acceptor)
• Persamaan Umum :
• Glukosa + oksigen----> Karbon dioksida + air
•
•
ATP
Persamaan Kimia
• C6H12O6 + 6 O2 -------> 6 CO2 + 6 H2O
•
•
38 ADP + 38 P
38 ATP
Respirasi Seluler Aerobik
• 4 subpathway
•
•
•
•
1. Glikolisis
2. Reaksi Transisi
3. Siklus Kreb
4. Sistem Transport Elektron
(Electron Transport System)
1. Glikolisis
(pemecahan gula )
• Oksidasi Glukosa menjadi 2 molekul Asam
Piruvat
• Siklus Embden-Meyerhof
• Hasil akhir Glycolisis:
– 2 Asam Piruvat
– 2 NADH2
– 2 ATP
2. Reaksi Transisi
• Menghubungkan Glikolisis ke Siklus Kreb
• Hasil akhir :
– 2 Asetyl KoEnzym A
– 2 CO2
– 2 NADH2
3. Silus Krebs (Siklus Asam Sitrat )
• Urutan reaksi kimia awal dan akhirnya asam
sitrat
• Hasil akhir:
–2
–6
–2
–4
ATP
NADH2
FADH2
CO2
4. Sistem Transport Elektron (Electron
Transport System)
• Terjadi dalam membran sel bakteri
• Model Khemiosomosa Mitchell
– 34 ATP
Bagaimana penjelasan 34 ATP dari E.T.S. ?
3 ATP for each NADH2
2 ATP for each FADH2
•
• Glicolisis
• R. Tansisi
• Siklus Kreb
• Total
NADH2
2
2
6
10
• 10 x 3 = 30 ATP
•
FADH2
• Glicolisis
• R. Transisi
• Siklus Kreb
• Total
• 2 x 2 = 4 ATP
0
0
2
2
ATP Total yg dihasilkan dari oksidasi
sempurna 1 molekul glukosa pada Resprasi
Aerobik
•
•
•
•
•
ATP
Glycolysis
2
Transition Reaction
0
Krebs Cycle
2
E.T.S.
34
• Total
38 ATP
Respirasi Anaerob
• Elektron yg dihasilkan melalui oksidasi melalui
E.T.S., tetapi oksygen tidak sebagai elektron
aseptor terakhir
• Nitrat (NO3-)
----> Nitrit (NO2-)
• Sulfat (SO24-)
----> Hidrogen Diulfida (H2S)
• Karbonat (CO24-) -----> Metan (CH4)
Fermentasi
• Proses Anaerob yg tidak memlaui E.T.S.
Umumnya melibatkan oksidasi yang tidak
sempurna dari karbohidrat sehingga dapat
menjadikan oksigen sebagai aseptor elektron
terakhir .
• Glicolisis – ditambah tahapan tambahan
Fermentasi dapat menghasilkan
sejumlah hasil akhir
1. Jenis mikroorganisme
2. Substrat Original
3. Kandungan Enzym yg sedang ada dan aktif
1. Fermentasi Asam Laktat
•
•
•
•
Hanya 2 ATP
Hasil akhir - Asam Laktat
Makanan Busuk
Produksi Makanan
– Yogurt
- Susu/Milk
– “Pickles” - timun/Cucumbers
– “Sauerkraut” - Kubis
• 2 Genera:
– Streptococcus
– Lactobacillus
2. Fermentasi Alcohol
• Hanya 2 ATP
• Hasil akhir :
– alcohol
– CO2
•
•
•
•
Minuman Beralkohol
Roti yang sudah beralkohol
Buah2an sudah beralkohol
Saccharomyces cerevisiae (Yeast)
3. Fermentasi Asam Campuran
• Hanya 2 ATP
• Hasil akhir - “Tidak Jelas”
• Escherichia coli dan beberapa mikroorganisme
enteric
Fermentasi Asam Propionat
• Hanya 2 ATP
• Hasil akhir :
– Asam Propionat
– CO2
• Propionibacterium sp.
Hasil akhir fermentasi
Katabilisme Lemak
Katabolisme Protein
Fotosintesis - Konversi of energi dari sinar
matahari menjadi energi kimia
• Energi kimia digunakan untuk mereduksi
CO2 menjadi gula (CH2O)
• Fiksasi Karbon – siklus karbon di lingkungan
(Kehidupan sangat tergantung dari hal tersebut )
• Photosynthesis
– Tanaman Hijau
– Algae/Ganggang
– Bakteri fotosintesis (Cyanobacteria)
Persamaan Reaksi
•
6 CO2 + 6 H2O + sinar matahari -----> C6H12O6 + 6 O2
• 2 Bagian :
– 1. Reaksi Terang
– 2. Reaksi Gelap
Reaksi Terang
• Fotofofosforilasi Non-Siklis
– O2
– ATP
– NADPH2
• Reaksi Terang (disederhanakan )
2. Reaksi Gelap
PowerPoint to accompany
Foundations in Microbiology
Fifth Edition
Talaro
Chapter
8
Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Microbial Metabolism: The Chemical
Crossroads of Life
Chapter 8
Metabolism
The sum total of all chemical
reactions & physical workings
occurring in a cell
2 types of metabolism
• Anabolism - biosynthesis
– building complex molecules from simple ones
– requires energy (ATP)
• Catabolism - degradation
– breaking down complex molecules into simple
ones
– generates energy (ATP)
89
90
91
92
Enzyme structure
• Simple enzymes – consist of protein alone
• Conjugated enzymes or holoenzymes –
contain protein and nonprotein molecules
– apoenzyme –protein portion
– cofactors – nonprotein portion
• metallic cofactors – iron, copper, magnesium
• coenzymes -organic molecules - vitamins
93
94
Enzyme-substrate interactions
95
• Exoenzymes – transported extracellularly,
where they break down large food molecules
or harmful chemicals; cellulase, amylase,
penicillinase
• Endoenzymes – retained intracellularly &
function there
96
97
• Constitutive enzymes – always present,
always produced in equal amounts or at equal
rates, regardless of amount of substrate;
enzymes involved in glucose metabolism
• Induced enzymes – not constantly present,
produced only when substrate is present,
prevents cell from wasting resources
98
99
• Synthesis or condensation reactions –
anabolic reactions to form covalent bonds
between smaller substrate molecules, require
ATP, release one molecule of water for each
bond
• Hydrolysis reactions– catabolic reactions that
break down substrates into small molecules,
requires the input of water
100
101
Transfer reactions by enzymes
1. Oxidation-reduction reactions – transfer of
electrons
2. Aminotransferases – convert one type of amino
acid to another by transferring an amino group
3. Phosphotransferases – transfer phosphate groups,
involved in energy transfer
4. Methyltransferases – move methyl groups from one
molecule to another
5. Decarboxylases – remove carbon dioxide from
organic acids
102
Metabolic pathways
103
Control of enzyme activity
1. Competitive inhibition – substance that resembles
normal substrate competes with substrate for
active site
2. Feedback inhibition – concentration of product at
the end of a pathway blocks the action of a key
enzyme
3. Feedback repression – inhibits at the genetic level
by controlling synthesis of key enzymes
4. Enzyme induction – enzymes are made only when
suitable substrates are present
104
Competitive inhibition
105
Energy –capacity to do work or
cause change
• Endergonic reactions – consume energy
• Exergonic reactions – release energy
106
Redox reactions
• always occur in pairs
• There is an electron donor and electron
acceptor which constitute a redox pair
• The process salvages electrons & their energy.
• released energy can be captured to
phosphorylate ADP or another compound
107
Electron carriers
• resemble shuttles that are loaded and
unloaded with electrons and hydrogen
• most carriers are coenzymes, NAD, FAD, NADP,
coenzyme A & compounds of the respiratory
chain
108
NAD reduction
109
Electron carriers
110
ATP
• 3 part molecule consisting of
– adenine – a nitrogenous base
– ribose – a 5-carbon sugar
– 3 phosphate groups
• Removal of the terminal phosphate releases
energy
111
ATP
112
Phosphorylation of glucose by ATP
113
Formation of ATP
1. substrate-level phosphorylation
2. oxidative phosphorylation
3. photophosphorylation
114
substrate-level phosphorylation
115
Catabolism of glucose
1. Glycolysis
2. Tricarboxylic acid cycle, Kreb’s cycle
3. Respiratory chain, electron transport
116
Metabolic strategies
Aerobic
respiration
Pathways
Final eacceptor
involved
Glycolysis, O2
TCA, ET
Anaerobic
respiration
Glycolysis, NO3-, So4-2, variable
TCA, ET
CO3-3
Fermentation Glycolysis
Organic
molecules
ATP yield
38
2
117
Overview of aerobic respiration
118
Overview of aerobic respiration
• Glycolysis – glucose (6C) is oxidized and split
into 2 molecules of pyruvic acid (3C)
• TCA – processes pyruvic acid and generates 3
CO2 molecules
• Electron transport chain – accepts electrons
NADH & FADH, generates energy through
sequential redox reactions called oxidative
phosphorylation
119
Glycolysis
120
TCA cycle
121
Electron transport system
122
Chemiosmosis
123
Fermentation
• Incomplete oxidation of glucose or other
carbohydrates in the absence of oxygen
• Uses organic compounds as terminal electron
acceptors
• Yields a small amount of ATP
• Production of ethyl alcohol by yeasts acting on
glucose
• Formation of acid, gas & other products by the
action of various bacteria on pyruvic acid
124
Fermentation
125
Products of fermentation
126
• Many pathways of metabolism are bi-directional or
amphibolic
• Metabolites can serve as building blocks or sources
of energy
– Pyruvic acid can be converted into amino acids through
amination
– Amino acids can be converted into energy sources through
deamination
– Glyceraldehyde-3-phosphate can be converted into
precursors for amino acids, carbohydrates and fats
127
128
129