METABOLISME

Aktivitas seluler, seperti tumbuh (growand reproduce), gerak (move orchange shape) dan transport ionsecara aktif melalui membran plasmamemerlukan energi

Hukum termodinamika IJumlah energi di dunia ini konstan,artinya bahwa energi tidak dapatdiciptakan atau pun dimusnahkan.Energi hanya dapat diubah dari satubentuk ke bentuk energi yang lain.

Jumlah total energi dalam suatusistem dan lingkungan sekitarnyatetap/konstan, karena perubahanenergi berlangsung secara konstanpula.

ATP powers most cellular works Fermentation is a partial

degradation of sugar that occurs without the help of oxygen

Waste product of respirations CO2 and H2O are the very substances that chloroplasts use as raw materials for photosynthesis, thus the chemical elements essentials to life are recycled but energy is not. It flows into an ecosystem as sunlight and leaves as heat

In cpt (CO2 + H2O)

Cellular resp. in mitochondria

Perubahan/transformasi energi di dalam tubuh mahluk hidup

Berbagai reaksi kimia berlangsung di dalam sel dan jaringan tubuhorganisma hidup agar dapat tetap hidup

1. Perakitan molekul sederhana menjadi molekul yang lebihkompleks

(i) untuk membentuk struktur serta menjalankan fungsi sel

(ii) disekresikan dari sel-sel khusus untuk digunakan oleh bagianlain dari tubuh mahluk hidup.

2. Energi potensial (ikatan kimia : karbohidrat dan lipida) energi kimia (ATP) energi kinetik (mis. untuk menggerakkanotot)

Energi ini dihasilkan dari proses oksidasi selama respirasi

Metabolisme : untuk homeostasis

Anabolisme i. proses asimilasi/ penyusunan/ pembentukan molekul yang

lebih kompleks dari molekul yang sederhana

ii. Proses anabolisme seringkali memerlukan energi reaksi endergonik.

Contoh-contoh:

Homeostasis: the steady-state physiological condition of the body

sintesis protein dari asam amino, karbohidrat dari gula danlemak dari asam lemak dan gliserol

Katabolisme

i. proses pemecahan atau penguraian molekul yang kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana

ii. respirasi sel merupakan proses katabolisme, pada proses ini akan dihasilkan energi yang disimpan dalam suatu ikatan kimia (reaksi eksergonik).

Stadium I, protein, karbohidrat dan polisakarida dipecah menjadi molekul pembangun

Molekul Pembangun

Stadium II, seluruh molekul pembangun terdegradasi menjadi hasil yang umum, yaitu kelompok asetil dari asetil Ko-A

Hasil umum dari proses degradasi/ penguraian

Stadium III, katabolisme bergabung melalui siklus asam sitrat (TCA) menghasilkan H2O, CO2 dan amonia

Hasil akhir molekul sederhana

Anabolisme dan katabolisme selalu berkaitan,energi yang dihasilkan dari reaksi katabolisme akan digunakankembali pada saat terjadi penyusunan molekul baru.

Energi yang digunakan dalam metabolisme adalah energi kimia,terutama ATP.

Jalur Metabolisme

Berbagai reaksi metabolisme terjadi melalui suatu jalur yang berupaseri reaksi kimia

Manfaat jalur metabolisme digunakan untuk membangun molekul kompleks atau aktivitas metabolik yang kompleks, menguraikan molekul kompleks tersebut.

Jalur metabolisme dapat berlangsung secara linier, bercabang atau

membentuk suatu siklus.

Enzim

Reaksi kimia yang spontan dapat terjadi dengan sangat lambat

i.e. hidrolisis sukrosa (table sugar) menjadi glukosa dan fruktosaDalam air steril reaksi akan terjadi selama bertahun-tahun padatemperatur kamar.

Tapi jika kita tambahkan sedikit saja sukrase, sukrosa akanterhidrolisa dalam hitungan detik

Bagaimana enzim dapat melakukan hal itu?

Katalis : a chemical agent that changes the rate of a reactionwithout being consumed by the reaction

Di dalam tubuh mahluk hidup, metabolisme dibantu oleh adanyabiokatalis, yang dinamakan enzim

Mempercepat terjadinya suatu reaksi dengan menurunkan energi aktivasi

Masing-masing enzim memiliki struktur yang unik berkaitan dengan fungsinyaStruktur enzim yang spesifik ini sesuai dengan struktur molekul pereaksi/substratnya enzymes are substrate specific

Pada suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim

Substrat akan berikatan dengan sisi aktif dari enzim (active site)membentuk kompleks sementara yang dinamakan kompleks enzimsubstrat

Saat dihasilkan produk, enzim kemudian akan dibebaskan kembali tanpamengubah struktur awalnya

Oleh sebab itu, enzim dapat digunakan berulang kali untuk mengkatalisreaksi kimia berikutnya karena struktur serta fungsinya tidak berubah.

Pengaruh faktor lingkungan (fisika dan kimia) sel pada aktivitas enzim

Suhu dan pH

ko-faktor (non protein helpers)

(i) Inorganik: misalnya ion logam seng (Zn), tembaga (Cu) dan besi (Fe)

(ii) Organik molekul : disebut juga ko-enzimKebanyakan vitamin yang kita kenal berfungsi sebagai koenzim atau bahan dasar koenzim

Cofactor may be bound tightly to the active site as permanent residents or they may bind loosely and reversibly along with the substrate

Cofactor functions in various ways but in all cases they are necessary for catalysis to take place

Enzyme inhibitors

i. Competitive inhibitorsreduce the productivity of enzymes by blocking substrates

from entering active sites

ii. Noncompetitive inhibitorsdo not directly compete with the substrate at the active site

They binding to another part of enzyme molecule change its shape

and so

- the active site unreceptive to substrate or

- leaving the enzyme less effective at catalyzing the conversion

of substrate to product

Autotrofi

Tumbuhan hijau, alga, dan beberapa bakteri dikategorikan sebagaiorganisme yang autotrof

Menggunakan energi matahari untuk merakit prekursor anorganik,terutama CO2 dan H2O, untuk membentuk makromolekul organik(proses fotosintesis)

Heterotrofi

Organisme heterotrof mendapatkan energi dari penguraian molekulyang ada di sekitarnya (dalam bentuk makanan), yang berasal dariorganisme autotrof.

Penguraian molekul organik terjadi pada proses katabolisme (respirasi)untuk membentuk ATP

ATP dibutuhkan untuk sintesis makromolekul yang dibuatnya dalam prosesanabolisme

Nearly all the cells in our body break down sugars for ATP production

Most cells of most organisms harvest energy aerobically, like slow muscle fibers

The aerobic harvesting of energy from sugar is called cellular respiration

Cellular respiration yields CO2, H2O, and a large amount of ATP

INTRODUCTION TO CELLULAR RESPIRATION

Respiration

Respiration banks energy in ATP molecules

Cellular respiration breaks down glucose molecules and banks their energy in ATP

The process uses O2 and releases CO2 and H2O

ATP powers almost all cell and activities

Glucose Oxygen gas Carbon

dioxide

Water Energy

Cells tap energy from electrons transferred from organic fuels to oxygen

Glucose gives up energy as it is oxidized

BASIC MECHANISMS OF ENERGY RELEASE AND STORAGE

Loss of hydrogen atoms

Glucose

Gain of hydrogen atoms

Energy

Hydrogen carriers such as NAD+ shuttle electrons in redox reactions

Enzymes remove electrons from glucose molecules and transfer them to a coenzyme

OXIDATION

Dehydrogenase

and NAD+

REDUCTION

Redox reactions release energy when electrons fall from a hydrogen carrier to oxygen

NADH delivers electrons to a series of electron carriers in an electron transport chain

As electrons move from carrier to carrier, their energy is released in small quantities

Electron flow

Figure 6.6

In an explosion, 02 is reduced in one step

Figure 6.6B

Energy released as

heat and light

Two mechanisms generate ATP

1. Cells use the energy released by falling electrons to pump H+

ions across a membrane

The energy of the gradient is harnessed to make ATP by the process of chemiosmosis

High H+

concentration

ATP synthase

uses gradient

energy to

make ATPMembrane

Energy from

Low H+

concentration

ATP

synthase

Electron

transport

chain

2. ATP can also be made by transferring phosphate groups from organic molecules to ADP

Figure 6.7B

This process is called substrate-level phosphorylation

Organic molecule

(substrate)

New organic molecule

(product)

Enzyme

Adenosine

Adenosine

Krebs cycle = citric acid cycle coz citric acid is important intermediate

= tricarboxylic acid (TCA) cycle coz citric acid and isocitric acid have 3 carboxyl groups

Overview: Respiration occurs in three main stages

Cellular respiration oxidizes sugar and produces ATP in three main stages

Glycolysis occurs in the cytoplasm The Krebs cycle and the electron transport chain occur in the

mitochondria

STAGES OF CELLULAR RESPIRATION AND FERMENTATION

An overview of cellular respiration

Figure 6.8

High-energy electrons

carried by NADH

GLYCOLYSIS

Glucose Pyruvic

acid

KREBS

CYCLE

ELECTRON

TRANSPORT CHAIN

AND CHEMIOSMOSIS

MitochondrionCytoplasmic

fluid

Glycolysis harvests chemical energy by

oxidizing glucose to pyruvic acid

Glucose Pyruvic

acid

Details of glycolysis

Steps A fuelmolecule is energized,

using ATP.

1 3

1

GlucosePREPARATORY

PHASE

(energy investment)Step

2

3

4

Glucose-6-phosphate

Fructose-6-phosphate

Glyceraldehyde-3-phosphate

(G3P)

Step A six-carbon

intermediate splits into

two three-carbon

intermediates.4

Step A redox

reaction generates

NADH.

5

5 ENERGY PAYOFF

PHASE

1,3-Diphosphoglyceric acid

(2 molecules)6

Steps ATPand pyruvic acid

are produced.

6 9 3-Phosphoglyceric acid

(2 molecules)7

2-Phosphoglyceric acid

(2 molecules)8

2-Phosphoglyceric acid

(2 molecules)

9

(2 molecules

per glucose molecule)

Pyruvic acid

Fructose-1,6-diphosphate

6.10 Pyruvic acid is chemically groomed for the Krebs cycle

Each pyruvic acid molecule is broken down to form CO2 and a two-carbon acetyl group, which enters the Krebs cycle

Figure 6.10

Pyruvic

acid

CO2

Acetyl CoA

(acetyl coenzyme A)

6.11 The Krebs cycle completes the oxidation of organic fuel,

generating many NADH and FADH2 molecules The Krebs cycle

is a series of reactions in which enzymes strip away electrons and H+ from each acetyl group

Figure 6.11A

Acetyl CoA

KREBS

CYCLE

2

CO2

Figure 6.11B

Oxaloacetic

acid

Step

Acetyl CoA stokes

the furnace

1

2 carbons enter cycle

Citric acid

Steps and

NADH, ATP, and CO2 are generated

during redox reactions.

2 3

CO2 leaves cycle

Alpha-ketoglutaric acid

CO2 leaves cycle

Succinic

acid

KREBS

CYCLE

Steps and

Redox reactions generate FADH2and NADH.

4 5

Malic

acid

1

2

3

4

5

6.12 Chemiosmosis powers most ATP production

The electrons from NADH and FADH2 travel down the electron transport chain to oxygen

Energy released by the electrons is used to pump H+ into the space between the mitochondrial membranes

In chemiosmosis, the H+ ions diffuse back through the inner membrane through ATP synthase complexes, which capture the energy to make ATP

Chemiosmosis in the mitochondrion

Figure 6.12

Intermembrane

space

Inner

mitochondrial

membrane

Mitochondrial

matrix

Protein

complex

Electron

carrier

Electron

flow

ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE

6.13 Connection: Certain poisons interrupt critical events in

cellular respiration

Figure 6.13

Rotenone Cyanide,carbon monoxide

Oligomycin

ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE

6.14 Review: Each molecule of glucose yields many molecules of

ATP For each glucose molecule that enters cellular respiration, chemiosmosis produces up to 38 ATP molecules

KREBS

CYCLE

Electron shuttleacrossmembranes

Cytoplasmic

fluid

GLYCOLYSIS

Glucose2

Pyruvicacid

2AcetylCoA

KREBSCYCLE

ELECTRONTRANSPORT CHAIN

AND CHEMIOSMOSIS

Mitochondrion

by substrate-level

phosphorylation

used for shuttling electrons

from NADH made in glycolysis

by substrate-level

phosphorylation

by chemiosmotic

phosphorylation

Maximum per glucose:

Figure 6.14

6.15 Fermentation is an anaerobic alternative to aerobic respiration

Under anaerobic conditions, many kinds of cells can use glycolysis alone to produce small amounts of ATP

But a cell must have a way of replenishing NAD+

In alcoholic fermentation, pyruvic acid is converted to CO2 and ethanol

Figure 6.15A

This recycles NAD+ to keep glycolysis working

GLYCOLYSIS

2 Pyruvic

acid

released

2 EthanolGlucose

Figure 6.15C

In lactic acid fermentation, pyruvic acid is converted to lactic acid

As in alcoholic fermentation, NAD+ is recycled

Lactic acid fermentation is used to make

cheese and yogurt

GLYCOLYSIS

2 Pyruvic

acid2 Lactic acid

Glucose

Figure 6.15B

Cells use many kinds of organic molecules as fuel for cellular respiration

Polysaccharides can be hydrolyzed to monosaccharides and then converted to glucose for glycolysis

Proteins can be digested to amino acids, which are chemically altered and then used in the Krebs cycle

Fats are broken up and fed into glycolysis and the Krebs cycle

INTERCONNECTIONS BETWEEN MOLECULAR BREAKDOWN AND

SYNTHESIS

Pathways of molecular breakdown

Food, such as

peanuts

Polysaccharides Fats Proteins

Sugars Glycerol Fatty acids Amino acids

Amino

groups

Glucose G3PPyruvic

acid

GLYCOLYSIS

Acetyl

CoA

KREBS

CYCLE

ELECTRON

TRANSPORT CHAIN

AND CHEMIOSMOSIS

Food molecules provide raw materials for biosynthesis

In addition to energy, cells need raw materials for growth and repair

Some are obtained directly from food

Others are made from intermediates in glycolysis and the Krebs cycle

Biosynthesis consumes ATP

Biosynthesis of macromolecules from intermediates in cellular respiration

ATP needed to

drive biosynthesis

PolyscaccharidesFatsProteins

KREBS

CYCLE

Acetyl

CoAPyruvic

acidG3P Glucose

GLUCOSE SYNTHESIS

Amino

groups

Amino acids Fatty acids Glycerol Sugars

Cells, tissues, organisms

The fuel for respiration ultimately comes from photosynthesis

All organisms have the ability to harvest energy from organic molecules

Plants, but not animals, can also make these molecules from inorganic sources by the process of photosynthesis

Mitokondria

organel yang termasuk ke dalam sistem membran

tersebar pada sitosolorganisme eukariot.

Fungsi utama :

pengubahan energi potensial(dalam bentuk makanan) menjadiATP

Struktur Mitokondria

1. Membran luar

mengelilingi struktur mitokondria secara keseluruhan

memiliki protein integral pada membran, yang membentuk saluran untuk memfasilitasi berbagai macam molekul keluar masuk mitokondria

2. Membran dalam

mengelilingi matriks yang berisi cairan membentuk suatu lekukan ke dalam matriks

krista Mengandung 5 kelompok protein integral

membran

5 kelompok protein integral membran :

1. NADH dehidrogenase, 2. suksinat dehidrogenase, 3. sitokrom c reduktase (juga dikenal sebagai kompleks

sitokrom b-c1), 4. sitokrom c oksidase, 5. ATP sintase

Glikolisis

Glikolisis merupakan proses katabolisme glukosa secara anaerob terjadi pada setiap jenis sel Berlangsung di dalam sitosol Persamaan reaksi :

C6H12O6 + 2NAD+ 2C3H4O3 + 2 NADH + 2H

+

asam piruvat

Pada glikolisis terdapat 9 reaksi, masing-masing dibantu oleh enzim yang spesifik

Pada tahap 1 dan 3 ATP diubah menjadi ADP dan terjadi proses fosforilasi

Pada tahap 5 NAD diubah menjadi NADH + H+

Pada tahap 6 dan 9 ADP diubah menjadi meolekul berenergi tinggi TP

Pada tahap 4, gula 6 C dipecah menjadi 2 senyawa 3 C, yaitu :

1. Fosfogliseraldehid (PGAL)

2. Dihidroksiaseton dapat diubah menjadi PGAL dengan bantuan enzim isomerase

Akhir dari proses glikolisis 2 molekul asam piruvat (3 C), dihasilkan 2 ATP dan 2 NADH per molekul glukosa

Pada kondisi anaerob (tanpa kehadiran oksigen), asam piruvat dapat masuk ke jalur :

Fermentasi alkohol Fermentasi asam laktat

Fermentasi alkohol : pada ragi

Asam piruvat didekarboksilasi dan direduksi oleh NADH membentuk CO2 dan ethanol

Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H

+ CO2 + C2H5OH + NAD

+

Proses dinamakan fermentasi alkoholik

Pada otot yang sedang berkontraksi

Asam piruvat direduksi oleh NADH membentuk molekul asam laktat

Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H

+ C3H6O3 + NAD+

Proses dinamakan fermentasi asam laktat