BIOENERGETIKA BIOENERGETIKA SELULERSELULER

Ani Retno PrijantiAni Retno PrijantiKuliah S2 Ilmu Gizi Klinik FKUIKuliah S2 Ilmu Gizi Klinik FKUI

September 2008September 2008

Bioenergetika

Mahluk hidup memerlukan energi, yang diperuntukkan sbb.Pergerakan/ movementPertumbuhanSintesis biomolekulTransport ion dan molekul melintas membran

Organisme perlu energi dari lingkungan dan menggunakannya secara efisien utk proses hidup.

Studi tentang fenomena bioenergetika ini perlu pengetahuan tentang termodinamika.

Termodinamika.Dalam biokimia diterjemahkan sebagai suatu studi tentang

perubahan energi selama terjadinya reaksi biokimia dalam sel.

Dalam tinjauan termodinamika perlu dipisahkan antara sistem dan lingkungan.

Sistem adalah bagian dari univers yang di concerned,specified.

Lingkungan adalah hal-hal lain diluar sistem namun terdapat di univers.

Ada 3 sistem:Isolated systemclosed systemopen system

Isolated system: Tidak ada pertukaran energi dengan lingkungan

Closed system: Pertukaran energi dengan lingkungan dapat terjadi.

Open system: Pertukaran energi dan material dapat terjadi.Mahluk hidup masuk dalam jenis Open system, dapat

bertukar materi (nutrien dan sampah/metabolit).

Sistem Biologi dan Non Biologi.

Sistem Non BiologiMenggunakan panas (energi) untuk melangsungkan pekerjaan.

Sistem BiologiSangat memerlukan keadaan ISOTERMIK dan menggunakan ENERGI KIMIA dan pH NETRAL untuk menyelenggarakan proses hidup. Kecuali: lambung, bakteria tertentu

Karena ituSumber energi yang tepat diperlukan sel untuk

menjalankan proses normal.

Bagaimana organisme memperoleh energi dari makanan?

Sistem Biologi memiliki hukum umum:

Hukum Termodinamika ITotal Energi suatu sistem termasuk lingkungannya tetap (konstan).

Jadi dalam sistem total, energi dapat berubah dari satu tempat ke lain tempat, atau berubah bentuk.

Contoh:Energi kimia dapat berubah menjadi energi mekanik, seperti bensin diubah dalam mesin mobil menjadi energi mekanik gerak motor.

Api kompor (energi panas) memanaskan air dalam panci air mendidih (gerakan molekul ).

Di dalam sel reaksi berlangsung dalam mild condition, perlu katalis biologi/ enzim.

Pada organisme non fotosintesis, energi diperoleh dari bahan makanan, sedang organisme dg fotosintesis energi berasal dari sinar matahari.

Hukum Termodinamika IITotal entropi suatu sistem akan meningkat bila proses terjadi dengan spontan

Entropi adl keacakan suatu sistem, ( menjadi maksimum pada saat mencapai keseimbangan ) = S

Jumlah perubahan energi total dalam sistem = ENERGI BEBAS = G

G (-) , berarti proses (reaksi) berjalan spontan dan mengeluarkan energi bebas.= EXERGONIK

E

B

A

G (+) artinya reaksi dapat terjadi bila ada tambahan energi bebas= ENDERGONIK

G = 0 sistem dalam keadaan keseimbanganProses reaksi endergonik terjadi berkaitan dengan reaksi

eksergonik.

Dalam sistem biologik, sangat diperlukan suhu yang konstan. Karena itu perpindahan energi terjadi melalui suatu senyawa-senyawa tertentu yg dapat menangkap energi yaitu SENYAWA FOSFAT.

Pada sistem dengan temperatur dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (G) dalam suatu sistem reaksi dan perubahan entropy (S ) dinyatakan dengan rumus berikut

G = H - TS

Keterangan: G : perubahan energi bebas H : perubahan enthalpy (panas) T : temperatur absolut S : entropy

Pada reaksi biokimia H = E

dimana E adalah perubahan total energi reaksi maka rumus menjadi

G = E - TS

Bila G negatif , reaksi berlangsung spontan dengan melepaskan energi = eksergonik

Bila G positif, reaksi dapat berjalan hanya bila mendapatkan energi = endergonik.

Bila G = 0 , reaksi dalam keadaan ekilibriium

Bila reaktan konsentrasinya 1 mol/L

G0 adalah perubahan energi bebas standart

Pada reaksi biokimia reaksi berlangsung pada pH = 7,0Maka perubahan energi bebas satandart diberi simbol

G0 = perubahan energi bebas standart pd pH 7,0

Perubahan energi bebas standart pd pH 7,0 ini dapat dihitung dari konstanta ekilibrium Keq.

Rumus: G0 = - RT ln Keq

Keterangan:R : konstanta gasT : temperatur absolutln : lon

Senyawa pembawa energi digolongkan menjadiLow energy phosphates , tugasnya menangkap energi

bebas.High energy phosphates, membawa energi tinggi utk

diberikan kepada reaksi biokimia endergonik.

Low energy phosphates/ LEP:ADP, AMPGlukosa-1P

High energy phosphates/ HEP:Kreatin fosfat ,ATP dsb.Karbamoil fosfat ,GTPFosfoenol piruvat ,CTP

HEP berperan sebagai ALIRAN ENERGI dalam sel

Ada 3 sumber utama senyawa HEP dalam konservasi energi (penangkapan, penyimpanan dan sumber)

Proses glikolisisSiklus asam sitratProses fosforilasi oksidatif

Penyimpan energi (HEP) lainnya dapat berupa Phosphagen: kreatin fosfat (vertebrata)

arginin fosfat (invertebrata)

P

ATP memungkinkan reaksi terjadi dengan cara memberikan energi fosfatnya.

Glukosa + ATP -------- Glukosa-6P + ADP

Heksokinase

ATP

ADP

Glukosa

Glu.-6P

ENDERGONIKEKSERGONIK

Enzim adenilil kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi perubahan berikut

adenilil kinase ATP + AMP 2 ADP

Oksidasi Biologi

Reaksi oksidasi akan disertai dengan reaksi reduksi.Oksidasi adalah reaksi memindahkan elektron, sedangkan

reduksi adalah reaksi menerima elektron.

Prinsip oksidasi reduksi ini berlaku sama dalam seluruh sistem biokimia.

Beberapa proses oksidasi biologik dapat berlangsung tanpa adanya oksigen, seperti pada reaksi dehidrogenasi.

Kehidupan makhluk tingkat tinggi tergantung secara absolut dengan adanya suplai oksigen untuk proses respirasi.

Proses respirasi adalah proses dimana sel mendapat energi dalam bentuk ATP yang berasal dari reaksi terkontrol oksigen dan hidrogen untuk membentuk H2O.

Oksigen dapat juga di ikatkan ke berbagai substrat dengan katalisator enzim oksigenase. Berbagai obat, polutan dan karsinogen kimia (xenobiotik) dimetabolisme oleh enzim kelas ini , yang disebut sistem sitokrom P450.

Dalam reaksi oksidasi reduksi perubahan energi bebas sebanding dengan besarnya kecenderungan memberikan/ menerima elektron.

Maka G0 dapat diekspresikan menjadi Potensial reduksi-oksidasi (redox potential) = E0.

Potensial redok suatu sistem = E0 biasanya dibandingkan dengan potensial elektroda hidrogen (0,0 volt pada pH 0,0)

Potensial redok sistem oksidasi pada mamalia.

Sistem E0 Volt

H+ / H2 -0,42

NAD+ / NADH -0,32Lipoat; ox/red -0,29Acetoacetate/ 3-hydroxybutyrate -0,27Pyruvate/ lactate -0,19Oxaloacetate/ malate -0,17Fumarate/ succinate +0,03Cytichrome b; Fe3+/ Fe2+ +0,08Ubiquinone: ox/red +0,10Cytochrome c1; Fe3+ / Fe2+ +0,22

Cytochrome ; Fe3+/ Fe2+ +0,29Oxygen/ water +0,82

Enzim yang terlibat dalam reduksi-oksidasi disebut oksidoredsuktase, dibagi dalam 4 grup:

oksidasedehidrogenasehidroperoksidaseoksigenase

OKSIDASEEnzim ini mengkatalisis pemindahan hidrogen dari substrat

dan menggunakan oksigen sebagai penerima hidrogen, membentuk air (H2O) atau H2O2.

AH2 + O2 A + H2O atau AH2 + 1 O2 A + H2O2

Contoh oksidaseCytochrome oxidase:

suatu hemoprotein, tdp pd rantai respirasi mitokondria, enzim dapat dihambat oleh CO, -CN, Hidrogen SulfidaL-amino acid oxidase:

suatu flavoprotein enzim mengandung FMN atau FAD sebagai gugus prostetikditemukan di ginjal spesifik untuk deaminasi

oksidatif L-amino acidXanthine oxidase

mengandung molibdenum, berfungsi mengubah basa purin menjadi asam urat

DEHIDROGENASEEnzim ini tidak dapat menggunakan oksigen sebagai

penerima hidrogen.Mempunyai 2 fungsi yaitu1. Transfer hidrogen dari substrat satu ke substrat

lainnya dengan kopel reaksi redok, biasanya perlu ko-enzim NAD+. Contoh : enzim pada glikolisis anaerobik.

2. Sebagai komponen dalam rantai respirasi : transport elektron dari substrat ke oksigen

Dehidrogenase NAD+: pada glikolisis, siklus Krebs dan rantai respirasi

Dehidrogenase-NADP+: pada sintesis reduktif asam lemak, sintesis steroid dan jalur HMP-shunt/ pentosa fosfat.

Dehidrogenase-riboflavin: terlibat dalam transfer elektron rantai respirasi

Jenis :dehidrogenase-FADdehidrogenase-FMN

Cytochrome/ sitokrom:- adalah protein yang mengandung Fe terosilasi antara

Fe3+ dan Fe2+ selama oksidasi-reduksi.- pengecualian adl cyt oksidase

Sitokrom terdapat di rantai respirasi, ER (cyt P450, cyt b), sel tumbuhan dan ragi.

HIDROPEROKSIDASE.Hidroperoksidase melindungi tubuh dari peroksida yang

dapat menjadi radikal.

Digolongkan menjadi 2KatalasePeroksidase

Peroksidase:Terdapat di susu , lekosit, trombosit dan jaringan membentuk senyawa eikosanoidGugus prostetik : protohemeHidrogen oeroksida direduksi menggunakan beberapa senyawa yg berperan sbg penerima elektron.

Penerima elektron:askorbat, quinon, sitokrom c

Reaksi secara ringkas:AH2 + H2O 2 H2O + A

peroksidase

Di eritrosit: glutation peroksidase mengandung seleniumFungsinya menghancurkan H2O2 dan peroksida lipid

menggunakan glutation. Sehingga eritrosit dan lipid membran terlindungi.

Katalase:Gugus prostetik 4 gugus hem H2O2 sebagai substrat, elektron donor dan molekul H2O2 lainnya sebagai oksidan, penerima elektron.

katalaseReaksi: 2 H2O2 2 H2O + O2

Terdapat di: sumsum tulang, darah,membran mukosa, ginjal dan hati.

Contoh: peroksisoma banyak mengandung oksidase dan katalase, penghasil dan penghancur hidrogen peroksida terdapat bersama .

OKSIGENASEMengkatalisis penggabungan oksigen ke dalam substrat

dengan 2 langkah kerja

1. Oksigen diikatkan ke enzim di situs aktifnya2. Oksigen yang terikat direduksi atau ditransfer ke

substrat

Terdapat 2 macamdioksigenase dan mono oksigenase

Dioksigenase: A + O2 AO2

Contoh: homogentisat dioksigenase/oksidase, triptofan pirolase,

Monooksigenase: mixfunction oxidase, hidrolaseMemasukkan satu molekul O dari oksigen ke substrat.

A-H + O2 + ZH2 A-OH + H2O + Z

Contoh: Cytokrom P450Mengandung hem, terdapat > 1000 enzim yg telah diketahuiDonor reducing ekivalennya NADH dan NADPHDi mikrosom hati terdapat bersama dg cyt b untuk fungsi detoksifikasi senyawa a.l. : benzpyrene, aminopyrene, aniline, morphine dan benphetamine, akan dihidroksilasi supaya menjadi larut air sehingga mempermudan ekskresinya.

Pengantar MetabolismePengantar MetabolismeMetabolisme menggambarkan bagaimana sel memperoleh,

mengubah, menyimpan dan menggunakan energi.

Melibatkan ribuan reaksi di dalam sel termasuk eksplorasi kondisi, regulasi dan kebutuhan energi nya.

Beberapa pertanyaan dalam sistem biologi:1. Bagaimana organisme mengubah potensi energi dalam

karbohidrat dan lemak menjadi energi yang berguna untuk biosintesis, transpot melintasi membran dan kontraksi otot?

2. Berapa besar energi dalam ATP?Bagaimana sel mengatur proses metabolisme supaya tidak kekurangan yg satu atau kelebihan yg lain?

3. Bagaimana organisme fotosintesis memanen energi dari matahari untuk menbentuk karbohidrat?

4. Berapa besar energi dalam glukosa?5. Mengapa lemak dapat memberikan energi lebih besar

dibandingkan dg karbohidrat?6. Apa peran vitamin dalam reaksi metabolik?

Proses metabolisme dibagi ke dalam 2 golongan:Autotrophs : self feeding, dapat menggunakan CO2 sebagai sumber karbon untuk sintesis biomolekul kompleks dan mengguanakan sinar matahari sebagai sumber energi.Heterotrophs: mendapatkan energi dengan cara menelan senyawa karbon kompleks seperti karbohidrat dan lemak/lipid.

BIOENERGETIKA SELULERSlide 2Slide 3Slide 4Slide 5Slide 6Slide 7Slide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Pengantar MetabolismeSlide 31