3. Molekul, Energi Dan Metabolisme

1

3. MOLEKUL, ENERGI DAN METABOLISME

2

Komponen kimia sel

Air, ion dan molekul-molekul kecil (77%)

3

Komponen kimia sel

Makromolekul (23%)

4

Energi ikatan pada beberapa ikatan kovalen

Sebagai perbandingan, energi panas pada 25oC < 1 kcal/mol

5

Ikatan kovalen memiliki geometri yang spesifik

6

Ikatan kovalen ganda menyebabkan semua atom berada pada bidang datar

7

Ikatan kovalen polar: pemakaian bersama elektron bergantung pada polaritas atom

Atom dengan keelektronegatifan yang tinggi akan lebih menarik elektron

8

Molekul air memiliki momen dipol

9

Atom karbon asimetrik selalu ada dalam molekul-molekul biologis.

Atom karbon asimetrik: mengikat 4 atom/gugus berbeda

Ikatan yang terbentuk oleh atom karbon asimetrik dapat menghasilkan stereoisomer (bayangan cermin satu dengan lainnya)

Stereoisomers dapat right-handed atau left-handed dan biasanya memiliki aktivitas biologis yang sama sekali berbeda.

Karbon asimetri merupakan key features dari asam amino dan Karbohidrat

10

Stereoisomers dari asam amino alanin

11

Monosakarida yang berbeda memiliki susunan atom yang berbeda disekitar atom karbon asimetri

12

Ikatan dan glycosidik menghubungkan monosakarida

13

Ikatan non-kovalen

14

Sifat interaksi nonkovalen

Interaksi nonkovalen memerlukan energi lebih kecil untuk diputuskan dibanding ikatan kovalen.

Interaksi nonkovalen diperlukan untuk menjaga struktur tiga dimensi makromolekul dan untuk menstabilkan asosiasi spesifik antar makromolekul.

15

Multiple weak bonds stabilize large molecule interactions

16

Ikatan hidrogen menentukan sifat kimia dan biologis air

hidrofilik

17

Ikatan Hidrogen didalam protein

18

Ikatan Ion

Definisi:… Keelektronegatifan:.. Ion-ion dalam larutan dikelilingi oleh molekul air, yang

berinteraksi melalui ujung dipol air yang bermuatan berlawanan dengan ion yang bersangkutan.

19

Ion-ion dalam pelarut air

20

Gaya Dispersi London

Molekul/atom nonpolar apabila berdekatan dengan ion, atau dipol permanen dapat mengalami induksi menjadi dipol.

Tanpa ada induksipun distribusi elektron terkadang tidak merata sehingga terbentuk dipol sesaat.

Gaya tarik menarik antar dipol sesaat ini disebut gaya dispersi London.

21

Ikatan van der Waals

Jari-jari van der Waals (rvdw) adalah jari-jari dimana total gaya pada dua atom sama dengan nol.

22

Ikatan van der Waals

23

Interaksi molekul air dengan zat terlarut

Pembentukan ikatan hidrogen Interaksi elektrostatik

Interaksi molekul air dengan zat terlarut mengganggu jaringan ikatan hidrogen antar molekul air, tetapi gangguan ini dikompensasi oleh pembentukan ikatan hidrogen baru dengan zat terlarut atau oleh pembentukan interaksi eletrostatik antara ion dan molekul air.

24

Interaksi air dengan molekul non-polar

25

Interaksi molekul air dengan molekul amphipatik

Amphipatik adalah suatu senyawa yang mengandung gugus hidrofil dan hidrofob

26

Phospholipids : molekul amfipatik

27

Interaksi hidropobik

28

Beberapa struktur Phospholipids dalam air

29

Ikatan kovalen majemuk menentukan kespesifisikan ikatan (binding specificity)

30

Kesetimbangan Kimia

Arah kesetimbangan reaksi (syarat termodinamika) dan laju reaksi (syarat kinetika) menentukan reaksi-reaksi yang dapat terjadi di dalam sel

Reaksi setimbang:… kesetimbangan dinamis Pada keadaan setimbang perbandingan antara produk

dan reaktan tetap, disebut Tetapan Kesetimbangan (K), dan nilainya tidak bergantung pada laju reaksi

31

Tetapan setimbang menunjukkan tingkat reaksi kimia

Keq bergantung pada: sifat reaktan dan produk Temperatur Tekanan

Keq selalu tetap untuk suatu reaksi tertentu, dengan atau tanpa kehadiran katalis

Keq = kf/kr

Konsentrasi suatu kompleks dapat diperkirakan dari tetapan setimbang untuk reaksi pembentukan kompleks

32

Cairan Biologis memiliki harga pH tertentu

Semua cairan, termasuk yang ada di dalam sel mengandung ion H+ dan OH-, produk disosiasi air

Pada air murni, [H+] = [OH-] = 10-7 M pH = 7.0 Sitosol kebanyakan sel memiliki pH sebesar 7.2

33

pH berbagai cairan biologis

34

Persamaan Henderson-Hasselbalch

Persamaan Henderson-Hasselbalch menghubungkan antara pH dan Keq pada sistem asam-basa

Pada pKa suatu asam setara dengan nilai pH pada keadaan jumlah molekul netral(tak berdisosiasi) sama dengan jumlah molekul ionnya

Derajad disosiasi dapat dihitung jika nilai pH dan pKa diketahui

[A ]pH p log

[HA]aK

35

Sel mempunyai reservoir asam dan basa lemah,yang disebut buffers, yang memastikan bahwa pH sel relatif tetap

Kurva titrasi untuk asam Fosfat (H3PO4), salah satu buffer fisiologis yang penting

36

Bioenergetika

Sistem hidup menggunakan berbagai bentuk energi yang dapat saling diubah

Energi mungkin energi kinetik (energi gerak) atau energi potensial (energi yang disimpan dalam bentuk ikatan kimia atau gradien ion

Perubahan energi bebas

Awal Awal

AwalAkhir

AkhirAkhir

G < 0G < 0G > 0G > 0

G = 0G = 0

Koordinat reaksi

En

erg

i b

eb

as

(G)

A B A B B A

EksergonikEksergonik EndergonikEndergonik

KesetimbanganKesetimbangan

38

G suatu reaksi bergantung pada perubahan entalpi dan entropi

G = H - T S Untuk reaksi yang eksoterm (H < 0),

artinya:… Energi ikatan reaktan & produk?

Untuk reaksi yang endoterm (H > 0), Artinya:… Energi ikatan reaktan & produk?

39

Entropi

Definisi entropi:… Entropi bertambah/berkurang jika:… Kebanyakan reaksi biologis menuju ke arah

teratur S? Kespontanan reaksi untuk reaksi yang:

Eksoterm? Endoterm?

40

Oksidasi suksinat menjadi fumarat

41

Ikatan fosfoanhidrat pada molekul ATP

42

ATP digunakan sebagai bahan bakar proses-proses pada berbagai sel

The ATP cycle

43

Energi Aktivasi dan Laju reaksi

Banyak reaksi-reaksi kimia dengan perubahan energi bebas yang negatif tidak berlangsung mengapa?

Reaksi kimia berlangsung melalui keadaan transisi . Energi bebas keadaan transisisi:…

44

Contoh perubahan-perubahan yang terjadi pada saat konversi reaktan menjadi produk, dengan dan tanpa katalis