Energy Transformation and Cellular Metabolism

ENERGY TRANSFORMATION AND CELLULAR METABOLISM

(TRANSFORMASI ENERGI DAN METABOLISME SELULAR)

CELL BIOLOGY

Surya AmalPrepared for Pharmacy Department

University of Darussalam Gontor - Indonesia

An organism’s metabolism transforms

matter and energy, subject to the laws of

thermodynamics

Concept

Metabolisme adalah keseluruhan reaksi kimia dalam organisme.

Metabolisme adalah efek yang timbul dari kehidupan yang merupakan interaksi antara molekul dalam sel.

Sebuah jalur metabolisme dimulai dengan molekul tertentu (reaktan) dan berakhir dengan sebuah produk.

Setiap tahap dikatalisis oleh enzim spesifik.

Metabolism Basics

Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3

A B C DReaction 1 Reaction 2 Reaction 3

Startingmolecule

Product

Organization of the Chemistryof Life into Metabolic Pathways

Sebuah jalur metabolisme (metabolic pathway) membutuhkan banyak tahapan.

Yang dimulai dengan molekul spesifik dan diakhiri dengan produk

Yang masing-masing dikatalisasi oleh enzim spesifik

Metabolism = catabolic + anabolic

Jalur Katabolik (catabolic pathways) Memecah molekul kompleks menjadi

senyawa yang lebih sederhana. Melepaskan energi (release energy)

Jalur Anabolik (anabolic pathways) Membangun molekul rumit dari yang

sederhana. Mengkonsumsi energi (consume

energy)

The process of breaking down molecules to supply energy is catabolism.

The process of building up molecules (synthesis) is anabolism.

General Classification of chemical reactions in the metabolism

The sum total of all the chemical reactions involved in maintaining the dynamic state of the cell is called metabolism.

Energy

Energi kinetik (kinetic energy) Adalah energi yang berkaitan dengan

gerak Energi potensial (potential energy)

Tersimpan dalam materiTermasuk energi kimia yang tersimpan

dalam struktur molekul

Energy Systems & Flow

Energi disimpan dalam dua sistem makro Tumbuhan (Plants) & Hewan (Animals)

Flora dan fauna tersusun dari subsistem tambahan baik untuk penyimpanan maupun aliran energi.

Energi mengalir antara dua penyimpanan ini ketika konsumsi terjadi.

Entropi (entropy) meningkat pada setiap tingkat konsumsi (tingkat trofik).

Perhatian kita pada penggunaan energi kimia dan konversi ke ATP = respirasi sel C6H1206 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Energy Systems and Flow

(a) First law of thermodynamics(b) Second law of thermodynamics

Chemicalenergy

Heat

Bioenergetics (bioenergetika) adalah studi tentang bagaimana organisme mengelola sumber daya energi mereka.

The Laws of Energy Transformation

Thermodynamics (Termodinamika) adalah ilmu yang mempelajari transformasi energi.

Sebuah sistem tertutup, seperti yang diperkirakan pada cairan dalam termos, terisolasi dari lingkungannya.

Dalam sistem terbuka, energi dan materi dapat ditransfer antara sistem dan sekitarnya (lingkungannya).

Organisme adalah sistem yang terbuka.

The First Law of Thermodynamics

Menurut hukum pertama termodinamika, energi alam semesta adalah konstan Energi dapat ditransfer dan diubah Energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan

Hukum pertama juga disebut prinsip konservasi energi

The Second Law of Thermodynamics

Pada setiap perpindahan energi atau transformasi, beberapa energi tidak dapat digunakan, sering hilang sebagai panas.

Menurut hukum kedua termodinamika, setiap perpindahan energi atau transformasi meningkatkan entropi dari alam semesta.

Entropi adalah ukuran ketidakteraturan (disorder), atau keserampangan (randomness)

Biological Order and Disorder

Sel menciptakan keteraturan struktur dari materi-materi yang kurang teratur.

Organisme juga membentuk keteraturan dari materi dan energi yang kurang teratur .

Entropy (ketidakteraturan) mungkin menurun dalam sebuah organisme, tetapi entropy total alam semesta meningkat.

Energi bebas pada sistem kehidupan adalam energi yang dapat melakukan kerja ketika temperatur dan tekanan beraturan, sebagaimana dalam sebuah sel hidup.

Free-Energy Change, G

Perubahan energi bebas (∆G) selama proses berhubungan dengan perubahan entalpi, atau perubahan total energi (∆H), dan perubahan entropi (T∆S) :

∆G = ∆H - T∆S• ∆G negatif adalah proses spontan• Proses spontan dapat dimanfaatkan untuk

melakukan kerja.

Free Energy, Stability, and Equilibrium

Energi bebas adalah ukuran ketidakstabilan sistem, kecenderungan untuk berubah ke keadaan yang lebih stabil.

Pada perubahan spontan, terjadi penurunan energi bebas dan stabilitas sistem meningkat.

Equilibrium adalah keadaan stabilitas maksimum. Proses yang spontan dan dapat melakukan

kerja hanya ketika bergerak menuju kesetimbangan (equilibrium)

Exergonic and Endergonic Reactions in Metabolism

Reaksi eksergonik berjalan dengan sebuah pelepasan energi bebas dan disebut spontan.

Reaksi endergonik menyerap energi bebas dari lingkungannya dan tidak spontan

Equilibrium and Metabolism

Reaksi dalam sistem tertutup akhirnya mencapai keseimbangan dan kemudian tidak melakukan kerja.

Sel adalah sistem terbuka. Kesetimbangan dinamis (dynamic

equilibrium) Sebuah jalur katabolik dalam sel,

melepaskan energi bebas dalam serangkaian reaksi.

ATP powers cellular work by coupling exergonic

reactions to endergonic reactions

Concept

Sebuah sel melakukan tiga jenis kerja utama : Mekanik (Mechanical), Transpor (Transport)

dan Kimia (Chemical) Untuk melakukan kerja, sel mengelola sumber daya

energi dengan perangkai energi, penggunaan proses eksergonik untuk mendorong proses endergonik.

ATP (adenosine triphosphate) adalah shuttle energi sel.

ATP menyediakan energi untuk fungsi-fungsi seluler

ATP (adenosine triphosphate)

The chemical structure of ATP

Figure 8.9

P

Adenosine triphosphate (ATP)

H2O

+ Energy

Inorganic phosphate Adenosine diphosphate (ADP)

PP

P PP i

Energi dilepaskan dari ATPKetika terjadi pemutusan pada ikatan fosfat.

The Structure and Hydrolysis of ATP

The bonds between the phosphate groups of ATP’s tail can be broken by hydrolysis

This release of energy comes from the chemical change to a state of lower free energy, not from the phosphate bonds themselves

In the cell, the energy from the exergonic reaction of ATP hydrolysis can be used to drive an endergonic reaction

Overall, the coupled reactions are exergonic

Exergonic and Endergenic of ATP

(a) Glutamic acid conversion to glutamine

Glutamic acid

GGlu 3.4 kcal/mol

Glutamine

(b) Conversion reaction coupled with ATP hydrolysis

(c) Free-energy change for coupled reaction

Ammonia

Glutamic acid GlutaminePhosphorylatedintermediate

GGlu 3.4 kcal/mol

GATP −7.3 kcal/mol GGlu 3.4 kcal/mol

GATP −7.3 kcal/mol

G −3.9 kcal/mol Net

How ATP Performs Work

ATP drives endergonic reactions by phosphorylation, transferring a phosphate group to some other molecule, such as a reactant

The recipient molecule is now phosphorylated

The three types of cellular work (mechanical, transport, and chemical) are powered by the hydrolysis of ATP

The Regeneration of ATP

ATP is a renewable resource that is regenerated by addition of an inorganic phosphate group to ADP

• The energy to phosphorylate ADP comes from catabolic reactions in the cell

• The chemical potential energy temporarily stored in ATP drives most cellular work

Overview of Metabolism

Source of Energy (Photo- vs. Chemotroph) Source of Electrons Carrier of Electrons Final Electron Acceptor

Source of Carbon (Auto- vs. Heterotroph) Auto- : Carbon Dioxide Hetero- : Organic Compounds

Source of Electrons

Autotrophs Photosynthesis H2O, H2S

Chemotrophs Organic Compounds Carbohydrates (C H2O)

Glucose, Lactose, Sucrose, Mannitol, Citrate Amino Acids

Electron Carriers

Photosynthesis NADP + H to NADPH

Respiration NAD + H to NADH FAD + H to FADH

Contain Niacin and Riboflavin Vitamins, not stable Can’t store these molecules

Final Electron Acceptor

Fotosintesis (photosynthesis) CO2 + H2 to CH2O Stores energy

Respirasi (respiration) Aerobik (aerobic)

1/2 O2 + H2 to H2O

Anaerobik (anaerobic) Fermentasi (fermentation)

Movement of Electrons

Chemical reactions

Oxidation Reactions

Reduction Reactions

Reactions Coupled Redox reactions

Chapter 5

Example of Redox Equations

Example of Redox Equations

Example of Redox Equations

Cellular respiration

Cellular Respiration Glycolysis Citric Acid Cycle Electron Transport System & Oxidative

Phosphorylation

Metabolic Pathways Involved in Cellular Respiration

Glucose Pyruvicacid

Energi yang dihasilkan : 2 ATP dan 2 NADH

Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvic acid

Pyruvic acid is altered for the citric acid cycle

Pyruvicacid

CO2

Acetyl CoA(acetyl coenzyme A)

enzim mengkonversi asetil untuk CO2 dan menghasilkan NADH dan molekul FADH2

The citric acid cycle completes the oxidation of organic fuel

Figure 6.11A

Acetyl CoA

CITRIC ACID CYCLE

2CO2

Steps in the Electron Transport System

1. Set up H+ gradient using energy of e- from NADH, FADH22. Downhill flow of H+ is used to make ATP

cell

innermembrane

outermembrane

mitochondrion

An overview of cellular respiration

High-energy electrons carried by

NADH

GLYCOLYSIS

Glucose Pyruvicacid

CITRIC ACID

CYCLE

ELECTRONTRANSPORT

CHAINAND

CHEMIOSMOSIS

MitochondrionCytoplasmi

cfluid

Tanpa oksigen, sel-sel dapat menggunakan glikolisis sendiri menghasilkan sejumlah kecil ATP

Tetapi sel harus mengisi NAD+

Fermentation is an anaerobic alternativeto aerobic respiration

Glucose Pyruvicacid

In lactic acid fermentation, pyruvic acid

is converted to lactic acid

– NAD+ didaur ulang• Kontribusi untuk nyeri otot

GLYCOLYSIS

2 Pyruvic

acid

2 Lactic acidGlucose

Conclusion

Metabolisme memiliki empat fungsi khusus, yaitu :

1. Untuk memperoleh energi kimia dari degradasi makanan dari lingkungan atau energi matahari,

2. Untuk mengubah molekul nutrien menjadi prekursor unit pembangun bagi molekul besar sel.

3. Untuk menggabungkan unit-unit pembangun ini menjadi protein, asam nukleat, lipida, polisakarida, dan komponen sel lain.

4. Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang diperlukan di dalam fungsi khusus sel.

Conclusion :

Hubungan antara Anabolisme dan Katabolisme dijelaskan sebagai berikut :1. Aspek oksidasi dan reduksi, katabolsime menggunakan

bentuk oksidasi (NAD+ + NADP+) dan menghasilkan bentuk reduksi (NADH dan NADPH) sementara proses anabolisme membutuhkan bentuk reduksi dan menghasilkan bentuk oksidasi.

2. Aspek energi, katabolisme merupakan eksergonik (menghasilkan energi) dengan menggunakan ADP dan menghasilkan ATP. Senyawa ATP yang dihasilkan kemudian digunakan kembali dalam reaksi endergonik (membutuhkan energi) pada proses anabolisme dan kembali menghasilkan ADP (dan AMP).

3. Aspek materi, produk akhir antara yang dihasilkan dalam katabolisme umunya menjadi materi awal dalam anabolisme. Demikian juga sebaliknya.

THANK YOU