METABOLISME ENERGI. Metabolisme : segala proses reaksi kimia yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup

METABOLISME ENERGI

Metabolisme : segala proses reaksi kimia yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup

Energi : kemampuan makhluk hidup untuk melakukan aktivitas Metabolisme energi  dipelajari  bioenergitika

Studi tentang transformasi

energi atau aliran perpindahan energi yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup

Disebut juga termodinamika biokimia yang merupakan ilmu pengetahuan tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia

Metabolisme

Anabolisme Katabolisme

Sintesa molekul-molekul kecil menjadi lebih besar

Merombak/proses penguraian molekul-molekul besar menjadi molekul-molekul kecil

Melepaskan energi membutuhkan energi

Reaksi oksidasi Reaksi reduksi

Energi bebas : - merupakan energi yang berguna dalam sebuah sistem

- mempertahan makhluk hidup pada status yang jauh dari seimbang

- dapat diperoleh dari lingkungan Dalam sistem kimia dikenal

dengan istilah potensial kimia

Fototrof : memperoleh energi dengan menangkap cahaya

Kemotrof : memperoleh energi melalui oksidasi bahan makanan  ditansformasikan ke dalam bentuk yang sangat mudah digunakan

Makhluk hidup  memerlukan energi bebas untuk 3 tujuan utama 1. Pelaksanaan kerja mekanis, kontraksi otot, dan gerakan sel lainnya 2. Transpor aktif molekul-molekul dan ion-ion

3. Sintesis makromolekul dan biomolekul lainnya dari zat mula yang sederhana

Tahapan pembentukan energi dari bahan makanan

LEMAK POLISAKARIDA PROTEIN

Asam lemak dan gliserol

Glukosa dan gula lainnya

Asam amino

Asetil KoA

Daur asam sitrat

KoA

2CO₂ e¯

Fosforilasi oksidatif O₂

ATP ADP

Tahap I

Tahap II

Tahap III

ΔG : adalah perubahan energi bebas merupakan bagian dari total perubahan energi dalam sebuah sistem yang tersedia untuk melakukan pekerjaan

Sistem non biologis : dapat meggunakan energi panas untuk melakukan kerja

Sistem biologis : bersifat isotermik  meggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan

Mengikuti kaidah umum termodinamika Cabang ilmu fisika yang membahas tentang energi dan transformasinya

Kaidah I : total energi sebuah sistem termasuk energi sekitarnya adalah konstan

Hukum penyimpanan energi

Artinya bahwa tidak ada energi yang hilang ataupun yang diperoleh pada saat terjadinya perubahan akan tetapi energi dalam keseluruhan sistem dapat dialihkan dari satu bagian sistem ke bagian lain atau

ditranformasikan menjadi bentuk energi lainnya. Ex. Energi kimia  menjadi energi panas, listrik, pancaran, mekanis

Kaidah II : Entropi total sebuah sistem harus meningkat bila suatu proses berlangsung spontan.

Entropi menggambarkan taraf kelainan/keteracakan sistem dan akan mencapai taraf maksimal dalam sebuah sistem ketika ketika keseimbangan sebenarnya tercapai

Kondisi suhu dan pH konstan

Perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi dan perubahan entropi (ES) adalah :

ΔG = ΔE - TΔS ΔE : perubahan total energi internal dalam reaksi TΔS : suhu absulut

ΔG = negatif

Reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas atau bersifat eksergonik

ΔG sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan pada hakekatnya tidak bisa balik kembali (irreversible)

ΔG = positif

Reaksi berlangsung hanya kalau dapat diperoleh energi bebas atau bersifat endergonik

ΔG sangat besar, sistem akan stabil dengan sedikit atau tanpa kecenderungan untuk terjadinya reaksi

ΔG = 0

Sistem berada dalam keseimbangan dan tidak ada perubahan netto yang terjadi

ΔG^0’

Perubahan energi bebas yang baku pada keadaan standar (pH 7) ΔG⁰

Perubahan energi bebas pada konsentrasi reaktan 1,0 mol/L

Panas

Energi kimia

A

C

D

B

Energi bebas

A + C  B + D + panas

Perangkaian reaksi eksegonik dengan endergonik

Senyawa-senyawa berenergi tinggi 1. Senyawa pirofosfat

ATP (adenosin triphosphat)  senyawa fosfat berenergi tinggi karena memperlihatkan penurunan energi yang sangat besar jika terjadi hidrolisis

Donor energi bebas

Terlibat dalam berbagai reaksi, baik eksergonik maupun

endergonik dalam semua jenis kehidupan

Peran utamanya dalam pertukaran energi pada sistem biologi 

diperlihatkan oleh Fritz Lipmann dan Herman Kalckar tahun 1941

ATP : terdiri dari adenin, ribosa, dan trifosfat  pengemban energi

 pada bagian fosfatnya molekul kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung

ikatan fosfoanhibrida ikatan berenergi tinggi

C

C

C N HC N

N N

CH NH₂

4’C

C N O

C1’

H

OH H H

HO H 5’

CH₂ O

O P O

O

3’ 2’

C

C

C N HC N

N N

CH NH₂

4’C

C N O

C1’

H

OH H H

HO H 5’

CH₂ O

O P

3’ 2’

C

C

C N HC N

N N

CH NH₂

4’C

C N O

C1’

H

OH H H

HO H 5’

CH₂ O

¯O P O

3’ 2’

¯O ¯O

O P

¯O

¯O O

P P O O

¯O

¯O ¯O ¯O

ATP (adenosin triphosphat)

ADP (adenosin diphosphat) AMP (adenosin

monophosphat)

Bentuk aktifnya membentuk kompleks dengan kation Mg²⁺

atau Mn²⁺

ATP + H₂O

↔

ADP + P_i + H⁺ ΔG^0‘ = -7,3kkal/mol

ATP + H₂O

↔

AMP + P_ii + H⁺ ΔG^0‘ = -7,3kkal/mol

Bisa sampai -12 kkal/mol

< = > tergantung pada

kekuatan ion dalam medium dan konsentrasi Mg²⁺ dan Ca²⁺ serta protein (enzim)

Enzim yang mengkatalisis

 adenilat kinase (miokinase)

Gerakan Transpor aktif, Biosintesis, Amplifikasi sinyal

Fotosintesis atau oksidasi molekul-molekul

bahan bakar

ATP ADP

Daur ATP-ADP adalah cara dasar

pertukaran energi pada sistem biologi

ATP  yang utama lebih banyak sebagai donor langsung energi bebas daripada bentuk simpanan jangka panjang

Dipakai 1 menit setelah dibentuk

Pergantiannya sangat cepat

Aktivitas (gerakan, transpor aktif,

biosintesis, sinyal)  terjadi jika ATP terus menerus kembali dibentuk dari ADP

2. Nukleotida trifosfat  yang analog dengan ATP GTP (guanosin trifosfat) UTP (uridin trifosfat) CTP (sitidin trifosfat) Nukleotida monofosfat  GMP

UMP CMP

Beberapa reaksi biosintesis

dijalankan nukleotida ini ATP + GDP

↔

ADP + GTP

ATP + GMP

↔

ADP + GDP

Enzim dapat mengkatalisis transfer gugus fosforil terminal dari satu

nukleotida ke nukleotida yang lain

3. Asil – fosfat  ex. 1,3-Difosfogliserat

1,3-Difosfogliserat + H₂O  1,3-fosfogliserat + P_i ΔG0‘ = -11,8 kkal/mol 4. Fosfat enolik  fosfoenolpiruvat

•Memiliki potensi fosforil (pemindahan gugus fosforil) tinggi.

•Dapat memindahkan gugus fosforil ke ADP untuk membentuk ATP.

fosfoenolpiruvat + H₂O  asam piruvat (bentuk keto) + P_i ΔG0‘ = -14,8 kkal/mol

•Gudang ~ P (gugus fosforil) pada otot

•Kelimpahan dan potensial transfer fosforil yang lebih tinggi dari ATP menjadikannya donor ~ P yang sangat efektif

•Berperan sebagai fosfagen  simpanan energi ATP . Fosfagen tidak berperan langsung dalam fungsi biologis tapi akan bermanfaat lewat ADP

•Mempertahankan konsentrasi ATP tetap tinggi selama periode kerja otot.

•Sumber utama ~ P bagi pelari selama 4 detik

pertama lari cepat 100 m.

5. Guadinium fosfat  Kreatin fosfat/fosfokreatin, argininafosfat

Kreatin fosfat + ADP + H⁺  ATP + kreatin ΔG0‘ = -10,3 kkal/mol Dikatalisis oleh kreatin kinase

6. NADH dan FADH₂

Molekul bahan bakar = glukosa dan asam lemak oksidasi

Akseptor elektron  ke O₂  tetapi tidak secara langsung Dipindahkan kepengemban-

pengemban khusus Disebut juga pengemban

tereduksi

Memindahkan elektron potensi tinggi ke O₂ melalui transpor elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria

Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron  mendorong sintesis ATP dari ADP + P_i

Proses  disebut fosforilasi oksidatif

NAD⁺  akseptor elektron utama pada oksidasi bahan bakar / substrat atom nitrogen tetravalen dan mengemban 1 muatan positif

•Bagian reaktif = cincin nikotinamida derivat piridin

•Pada oksidasi substrat cincin nikotinamida menerima 1 ion hirdrogen dan 2 elektron yang ekuivalen dengan satu ion hidrida

•Bentuk tereduksi adalah NADPH NADHatom nitrogen trivalen

NAD⁺ + R – C – R

↔

NADH + R – C – R’ + H⁺

H

OH O

FAD dan FADH₂  Bagian reaktifnya cincin isoaloksazim Dapat menerima 2 elektron

FAD + R – C – C – R’

↔

FADH₂ + R – C = C – R’

H H

H H H H

Biosintesis reduktif  donor elektronnya adalah NADPH

Bentuk tereduksi dari NADP Mengemban elektron dengan cara

yang sama dengan NADP tapi hanya untuk biosintesis reduktif, sedang NADP untuk pembentukan ATP

7. Ester tiol  asetil KoA : Pengemban universal gugus asil

Gugus atau situs reaktifnya adalah gugus sulfidril

Ditemukan Lipmann 1945 Kofaktor stabil panas

Gugus asil  diikatkan dengan KoA dengan ikatan tioester Derivatnya  asil KoA

Unit asetil Asetil KoA

Asetil KoA + H₂O

↔

Asetat + KoA + H⁺ ΔG^0‘ = -7,5 kkal/mol

Beberapa pengemban aktif dalam metabolisme

Molekul pengemban Gugus yang dibawa dalam bentuk aktif ATP

NADH dan NADPH FADH₂

FMNH₂ Koenzim A Lipoamid

Tiamin pirofosfat Biotin

Tetrahidrofolat

S-adenosilimetionin Uridin difosfat glukosa

Sitidin difosfat diasilgliserol Nukleosida trifosfat

Fosforil Elektron Elektron Elektron Asil

Asil

Aldehida CO₂

Unit satu karbon Metil

Glukosa Fosfatidat nukleotida