Materi 4 Bioenergetik. Energi, anabolisme, katabolisme

Materi 4 Bioenergetik

BIOENERGETIKA , OKSIDASI BIOLOGI DAN RANTAI RESPIRASI

Bioenergetika dan ATP

Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Sistem nonbiologik dapat

menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya. Sedangkan sistem biologik bersifat

isotermik dan menggunakan energi kimia untuk

Kaidah Termodinamika

• Kaidah termodinamika dalam sistem biologik • Kaidah pertama termodinamika:

• Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang berbunyi: energi total sebuah sistem,

termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini

berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam

sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain.

Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya

lanjutan

• Kaidah kedua termodinamika:

• Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus

meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi

adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem.

Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Dalam

kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang

bereaksi, dengan perubahan entropi (ΔS), diungkapkan dalam persamaan:

• ΔG = ΔH – TΔS

• Keterangan: ΔH adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.

lanjutan

• Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat ΔH kurang lebih sama dengan ΔE, perubahan total energi internal di dalam reaksi, hubungan di atas dapat diungkapkan dengan

persamaan: • ΔG = ΔE – TΔS

• Jika ΔG bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika ΔG sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa membalik (irreversibel).

• Jika ΔG bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika

memperoleh energi bebas (reaksi endergonik). Bila ΔG sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi.

lanjutan

• Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan

dan pengalihan energi

• Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan pasokan energi bebas dari lingkungannya.

Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau

menggunakan energi cahaya matahari, bakteri tertentu menggunakan reaksi Fe2+  Fe3+. Sebaliknya organisme

heterotrofik, memperoleh energi bebasnya dengan

melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.

lanjutan

• Mg2+

• Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam

pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa dan 3 gugus fosfat (lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi sebagai kompleks Mg2+

•

Gambar 3.1 ATP diperlihatkan sebagai kompleks magnesium

lanjutan

• Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki ΔG lebih rendah dari pada ΔG0 pada ATP. Kedua, fosfat

berenergi tinggi yang memiliki nilai ΔG lebih tinggi daripada ΔG0 pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan

lanjutan

• Senyawa biologik penting lain yang berenergi tinggi adalah tiol ester yang mencakup

koenzim A (misal asetil-KoA), protein

pembawa asil, senyawa-senyawa ester asam amino yang terlibat dalam sintesis protein, S-adenosilmetionin (metionin aktif), uridin

lanjutan

• Tabel 3.1 Energi bebas baku hasil hidrolisis beberapa senyawa • organofosfat yang memiliki peran penting dalam biokimia

• Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~℗. Simbol ini menunjukkan bahwa gugus yang

melekat pada ikatan, pada saat peralihan pada suatu akseptor yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan kuantitas energi bebas yang lebih besar. Oleh karena itulah sebagian ahli

biokimia lebih menyukai istilah potensial pemindahan gugus daripada ikatan berenergi tinggi.

lanjutan

• Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1, maka ATP merupakan donor fosfat berenergi tinggi (donor energi bebas) bagi

senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat

menerima fosfat berenergi tinggi untuk membentuk ATP dari senyawa yang berada di atas ATP dalam tabel. Akibatnya siklus ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan ~℗ dan proses-proses yang menggunakan ~℗. Dengan

demikian ATP terus dikonsumsi dan terus diproduksi. Proses terjadi dengan kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP sangat kecil dan hanya cukup untuk mempertahankan

lanjutan

• Ada 3 sumber utama ~℗ yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi.

1. Fosforilasi oksidatif

• Fosforilasi oksidatif adalah sumber ~℗ terbesar dalam

organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam mitokondria dengan menggunakan oksigen.

2. Glikolisis

• Dalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~℗ yang terjadi akibat pembentukan laktat

3. Siklus asam sitrat/Siklus Krebs/Siklus Asam Tri Karboksilat • Dalam siklus asam sitrat satu ~℗ dihasilkan langsung pada

lanjutan

4. Oksidasi biologi

• Oksidasi adalah pengeluaran elektron dan reduksi

adalah pemerolehan elektron. Sebagai contoh adalah oksidasi ion fero menjadi feri yang dilukiskan pada

Gambar 3.3. Dengan demikian oksidasi akan selalu disertai reduksi akseptor elektron.e- (elektron)

• Fe2+ Fe3+

lanjutan

• Enzim-enzim penting dalam oksidasi biologi • Enzim-enzim yang terlibat dalam reaksi

reduksi dan oksidasi dinamakan enzim

oksidoreduktase. Terdapat 4 kelompok enzim oksidoreduktase yaitu: oksidase,

dehidrogenase, hidroperoksidase dan oksigenase.

lanjutan

• Oksidase

• Enzim oksidase mengkatalisis pengeluaran hidrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen.

Enzim-enzim tersebut membentuk air atau

hidrogen peroksida. Contoh peran enzim tersebut dilukiskan pada Gambar 3.4

lanjutan

• Gambar 3.4 Oksidasi metabolit yang dikatalisis oleh enzim oksidase

• Termasuk sebagai oksidase antara lain

sitokrom oksidase, oksidase asam L-amino, xantin oksidase, glukosa oksidase.

lanjutan

• Dehidrogenase

• Dehidrogenase tidak dapat menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim ini

memiliki 2 fungsi utama yaitu:

• Pertama, berperan dalam pemindahan hidrogen dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam reaksi reduksi-oksidasi berpasangan.

• Kedua, sebagai komponen dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.

lanjutan

• Gambar 3.5 Oksidasi suatu metabolit yang dikatalisis oleh enzim-enzim dehidrogenase • Contoh dari enzim dehidrogenase adalah

suksinat dehidrogenase, asil-KoA dehidrogenase, gliserol-3-fosfat

dehidrogenase, semua sitokrom kecuali sitokrom oksidase.

lanjutan

• Hidroperoksidase

• Enzim hidroperoksidase menggunakan hidrogen peroksida atau peroksida organik sebagai substrat. Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini yaitu peroksidase dan katalase. Enzim

hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya. Penumpukan peroksida menghasilkan radikal bebas yang dapat merusak membran sel dan menimbulkan kanker serta aterosklerosis.

lanjutan

• Hidroperoksidase

• Enzim hidroperoksidase menggunakan hidrogen peroksida atau peroksida organik sebagai substrat. Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini yaitu peroksidase dan katalase. Enzim

hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya. Penumpukan peroksida menghasilkan radikal bebas yang dapat merusak membran sel dan menimbulkan kanker serta aterosklerosis.

lanjutan

• Oksigenase

• Oksigenase mengkatalisis pemindahan

langsung dan inkorporasi oksigen ke dalam molekul substrat. Enzim ini dikelompokkan menjadi 2 yaitu monooksigenase dan

Rantai Respirasi

• Rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif

• Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem

respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi

oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan

organisme aerob menangkap energi bebas dari

substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob.

Fosforilasi Oksidatif

• Proses fosforilasi oksidatif

• Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor

elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen,

melainkan dipindah ke pengemban-pengemban

khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (

Fosforilasi oksidatif di Mitokhondria

• NAD+) dan flavin adenin dinukleotida (FAD).

• Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria (Gambar 3.7). Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini

kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan

• Gambar 3.7 Ringkasan proses fosforilasi oksidatif di dalam

mitokondriaRantai transport elektron membawa proton dan elektron, memindahkan elektron dari donor ke akseptor dan mengangkut proton melalui membran.

• Kompleks INADH + H+FMNFe2+SCoQNAD+FMNH2Fe3+SCoQH2Kompleks

IISuccinateFADFe2+SCoQFumarateFADH2Fe3+SCoQH2Kompleks IIICoQH2cyt b oxFe2+Scyt c1

oxcyt c redCoQcyt b redFe3+Scyt c1 redcyt c oxKompleks IVcyt c redcyt a oxcyt a3 redO2cyt c oxcyt a redcyt a3 ox2 H2OGambar 3.8 Tahap-tahap proses fosforilasi oksidatifSecara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing kompleks I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V (Tabel 3.2).

• Tabel 3.2 Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi oksidatif

• NamaPenyusun kDa PolypeptidesKompleks INADH dehydrogenase (or)

NADH-coenzyme Q reductase80025Kompleks IISuccinate dehydrogenase (or)

Succinate-coenzyme Q reductase1404Kompleks IIICytochrome C - coenzyme Q oxidoreductase2509-10Kompleks

IVCytochrome oxidase17013Kompleks VATP synthase38012-14

• Pada Gambar 3.8, kotak biru (gelap) di bawah menunjukkan reaksi oksidasi-reduksi yang terjadi pada masing-masing

kompleks enzim. Singkatan-singkatan diuraikan sebagai

berikut: FMN: flavin mononukleotida, Fe2+S: besi tereduksi-sulfur, Fe3+S: besi teroksidasi-tereduksi-sulfur, cyt: sitokrom, CoQ:

lanjutan

• Kompleks I

• Pada tahap ini, masing-masing molekul

NADH memindahkan 2 elektron berenergi tinggi ke FMN, kemudian ke protein

besi-sulfur dan terakhir ke koenzim Q (ubiquinon) •

lanjutan

• Kompleks II

• FADH2 dihasilkan oleh suksinat

dehidrogenase dalam siklus asam sitrat, memindahkan elektron ke CoQ melalui

kompleks II. FADH2 dihasilkan oleh asil KoA dehidrogenase dalam oksidasi beta asam lemak, memindahkan elektron ke CoQ

lanjutan

• Kompleks III

• CoQ memindahkan elektron ke serangkaian sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom terdiri atas kelompok heme seperti

hemoglobin dan besi dengan heme menerima elektron.

lanjutan

• Kompleks III

• CoQ memindahkan elektron ke serangkaian sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom terdiri atas kelompok heme seperti

hemoglobin dan besi dengan heme menerima elektron.

lanjutan

• Kompleks IV

• Penerima terakhir dari rantai transport

elektron adalah kompleks besar terdiri atas 2 heme dan 2 atom tembaga.

lanjutan

• Kompleks V

• Pada tahap ini, protein kompleks yang mengkatalisis konversi ADP menjadi ATP, diisikan oleh gradien kemiosmotik. Proton mengalir kembali ke matriks mitokondria melalui kompleks ATP sintase dan energi berasal dari penurunan gradien pH

lanjutan

• Pada fosforilasi oksidatif, pelibatan NADH

menghasilkan pembentukan 3 molekul ATP, sedangkan pelibatan FADH2 menghasilkan pembentukan 2 molekul ATP.

Metabolisme – semua proses kimia

dan reaksi kimia yang terjadi dalam sel

• 1. Katabolisme ( Katabolik )

– Pemecahan molekul organik kompleks menjadi senyawa sederhana

– Melepaskan ENERGI

• 2. Anabolisme ( Anabolik)

– Pembentukan / Pembangunan molekul organik kompleks dari senyawa sederhana

Enzymes -

adalah katalis yang mempercepat dan langsung terlibat mempercepat reaksi kimia, enzym

sendiri tidak ikut dalam reaksi • A. Enzym yg kerjanya spesifik

– Lipase Lemak / Lipida

– Sukrase Sukrose

– Urease Urea

– Protease Protein

Penjelasan tentang spesifitas Enzym

yang diterangkan dengan teori

Lock

and Key Theory

Pemberian Nama Enzym –

adalah memberikan tambahan “ase” pada substrat

• Sukrosa Sukrase

• Lemak Lipase

• DNA DNase

• Protein Protease

• Pemindahan Hydrogen Dehydrogenase • Pemindahan fofat Phosphotase

Penggolongan Enzym berdasarkan

aktivitasnya

• Juga berdasarkan proses yang dikatalisa • 1. Oxidoreductase oxidation & reduction • 2. Hydrolase hydrolysis

Komponen Enzyme Ada 2 bagian 1. Apoenzym - senyawa protein

2. Koenzym (Kofaktor) - senyawa, zat non-protein

-Koenzym

• Babarapa diperoleh dari vitamin • 1. Niasin

– NAD (Nikotinamid adenin dinukleotida)

• 2. Riboflavin

– FAD (Flavin adenin dinucleotida)

• 3. Asam Pantantotenat (Pantothenic Acid)

Faktor2 yg berpengaruh terhadap

Aktivitas Enzymatik

Penghambat yang berpengaruh thdp aktivitas enzimatik

1. Penghambat Kompetitif

Penghambat Kompetitif – memblok

sisi aktif

• 1. Penisilin

– Memblok sisi aktif enzim sehingga terjadi

penghambatan karena adanya jembatan silang pentaglisin

• 2. Sulfanilamid ( Obat2 Sulfa )

– memblok sisi aktif pada enzym yg mengkorvensi PABA menjadi Asam Folat

• Folic Acid - required for the synthesis of DNA and RNA

Non-competitive Inhibitors -

attach to an allosteric site

Produksi Energi

• 1. Oksidasi

– Menunjuk pada lepasnya / hilangnya Hidrogen dan atau elektron

• 2. Reduksi

– Penangkapan/Penggabungan Hidrogen dan/atau elektron

Katabolisme Karbohidrat

• Mikroorganisme mengoksidasi karbohidrat sebagai sumber energi primer

• Glukosa – secara umum dapat menjadi sumber energi

• Energi dapat dihasilkan dari Glucosa dengan cara :

– Respirasi – Fermentasi

Respirasi Selular secara Aerobik

• Elektron dilepaskan dari oksidasi melalui cara

Sistem Transport Elektron ( Electron Transport

System ) dengan oksigen sebagai penerima

elektron (Final Electron Acceptor)

• Persamaan Umum :

• Glukosa + oksigen----> Karbon dioksida + air •

Persamaan Kimia

• C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ---> 6 CO₂ + 6 H₂O •

Respirasi Seluler Aerobik

• 4 subpathway • 1. Glikolisis

• 2. Reaksi Transisi • 3. Siklus Kreb

• 4. Sistem Transport Elektron (Electron Transport System)

1. Glikolisis

(pemecahan gula )

• Oksidasi Glukosa menjadi 2 molekul Asam Piruvat

• Siklus Embden-Meyerhof • Hasil akhir Glycolisis:

– 2 Asam Piruvat – 2 NADH₂

2. Reaksi Transisi

• Menghubungkan Glikolisis ke Siklus Kreb • Hasil akhir :

– 2 Asetyl KoEnzym A – 2 CO₂

3. Silus Krebs

(Siklus Asam Sitrat )

• Urutan reaksi kimia awal dan akhirnya asam sitrat • Hasil akhir: – 2 ATP – 6 NADH₂ – 2 FADH₂ – 4 CO₂

4. Sistem Transport Elektron (Electron

Transport System)

• Terjadi dalam membran sel bakteri • Model Khemiosomosa Mitchell

Bagaimana penjelasan 34 ATP dari E.T.S. ?

3

ATP for each NADH₂

2 ATP for each FADH₂

• NADH₂ • Glicolisis 2 • R. Tansisi 2 • Siklus Kreb 6 • Total 10 • 10 x 3 = 30 ATP • FADH₂ • Glicolisis 0 • R. Transisi 0 • Siklus Kreb 2 • Total 2 • 2 x 2 = 4 ATP

ATP Total yg dihasilkan dari oksidasi

sempurna 1 molekul glukosa pada Resprasi

Aerobik

• ATP • Glycolysis 2 • Transition Reaction 0 • Krebs Cycle 2 • E.T.S. 34 • Total 38 ATP

Respirasi Anaerob

• Elektron yg dihasilkan melalui oksidasi melalui E.T.S., tetapi oksygen tidak sebagai elektron aseptor terakhir

• Nitrat (NO₃-) ----> Nitrit (NO₂-) • Sulfat (SO2

4-) ----> Hidrogen Diulfida (H2S) • Karbonat (CO2

Fermentasi

• Proses Anaerob yg tidak memlaui E.T.S. Umumnya melibatkan oksidasi yang tidak sempurna dari karbohidrat sehingga dapat menjadikan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir .

Fermentasi dapat menghasilkan

sejumlah hasil akhir

1. Jenis mikroorganisme 2. Substrat Original

1. Fermentasi Asam Laktat

• Hanya 2 ATP

• Hasil akhir - Asam Laktat • Makanan Busuk • Produksi Makanan – Yogurt - Susu/Milk – “Pickles” - timun/Cucumbers – “Sauerkraut” - Kubis • 2 Genera: – Streptococcus – Lactobacillus

2. Fermentasi Alcohol

• Hanya 2 ATP • Hasil akhir : – alcohol – CO₂ • Minuman Beralkohol

• Roti yang sudah beralkohol • Buah2an sudah beralkohol

3. Fermentasi Asam Campuran

• Hanya 2 ATP

• Hasil akhir - “Tidak Jelas”

• Escherichia coli dan beberapa mikroorganisme enteric

Fermentasi Asam Propionat

• Hanya 2 ATP • Hasil akhir : – Asam Propionat – CO₂ • Propionibacterium sp.

Fotosintesis - K

onversi of energi dari sinar matahari menjadi energi kimia

• Energi kimia digunakan untuk mereduksi CO₂ menjadi gula (CH₂O)

• Fiksasi Karbon – siklus karbon di lingkungan

(Kehidupan sangat tergantung dari hal tersebut )

• Photosynthesis

– Tanaman Hijau – Algae/Ganggang

Persamaan Reaksi

• 6 CO₂ + 6 H₂O + sinar matahari ---> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

• 2 Bagian :

– 1. Reaksi Terang – 2. Reaksi Gelap

Reaksi Terang

• Fotofofosforilasi Non-Siklis

– O₂ – ATP

– NADPH₂

Foundations in Microbiology

Chapter 8 PowerPoint to accompany Fifth Edition Talaro

Microbial Metabolism: The Chemical Crossroads of Life

Metabolism

The sum total of all chemical reactions & physical workings

89

2 types of metabolism

• Anabolism - biosynthesis

– building complex molecules from simple ones – requires energy (ATP)

• Catabolism - degradation

– breaking down complex molecules into simple ones

93

Enzyme structure

• Simple enzymes – consist of protein alone • Conjugated enzymes or holoenzymes –

contain protein and nonprotein molecules

– apoenzyme –protein portion – cofactors – nonprotein portion

• metallic cofactors – iron, copper, magnesium • coenzymes -organic molecules - vitamins

95

Enzyme-substrate interactions

96

• Exoenzymes – transported extracellularly,

where they break down large food molecules or harmful chemicals; cellulase, amylase,

penicillinase

• Endoenzymes – retained intracellularly & function there

98

• Constitutive enzymes – always present,

always produced in equal amounts or at equal rates, regardless of amount of substrate;

enzymes involved in glucose metabolism

• Induced enzymes – not constantly present, produced only when substrate is present, prevents cell from wasting resources

100

• Synthesis or condensation reactions –

anabolic reactions to form covalent bonds

between smaller substrate molecules, require ATP, release one molecule of water for each bond

• Hydrolysis reactions– catabolic reactions that break down substrates into small molecules, requires the input of water

102

Transfer reactions by enzymes

1. Oxidation-reduction reactions – transfer of electrons

2. Aminotransferases – convert one type of amino acid to another by transferring an amino group

3. Phosphotransferases – transfer phosphate groups, involved in energy transfer

4. Methyltransferases – move methyl groups from one molecule to another

5. Decarboxylases – remove carbon dioxide from organic acids

103

Metabolic pathways

104

Control of enzyme activity

1. Competitive inhibition – substance that resembles normal substrate competes with substrate for

active site

2. Feedback inhibition – concentration of product at the end of a pathway blocks the action of a key enzyme

3. Feedback repression – inhibits at the genetic level by controlling synthesis of key enzymes

4. Enzyme induction – enzymes are made only when suitable substrates are present

105

Competitive inhibition

106

Energy –capacity to do work or

cause change

• Endergonic reactions – consume energy • Exergonic reactions – release energy

107

Redox reactions

• always occur in pairs

• There is an electron donor and electron acceptor which constitute a redox pair

• The process salvages electrons & their energy. • released energy can be captured to

108

Electron carriers

• resemble shuttles that are loaded and unloaded with electrons and hydrogen

• most carriers are coenzymes, NAD, FAD, NADP, coenzyme A & compounds of the respiratory chain

109

NAD reduction

110

Electron carriers

111

ATP

• 3 part molecule consisting of

– adenine – a nitrogenous base – ribose – a 5-carbon sugar

– 3 phosphate groups

• Removal of the terminal phosphate releases energy

112

ATP

113

Phosphorylation of glucose by ATP

114

Formation of ATP

1. substrate-level phosphorylation 2. oxidative phosphorylation

115

substrate-level phosphorylation

116

Catabolism of glucose

1. Glycolysis

2. Tricarboxylic acid cycle, Kreb’s cycle 3. Respiratory chain, electron transport

117

Metabolic strategies

Pathways involved

Final

e-acceptor _{ATP yield}

Aerobic respiration Glycolysis, TCA, ET O₂ 38 Anaerobic respiration Glycolysis, TCA, ET NO₃-, So₄-2, CO₃-3 variable

Fermentation Glycolysis Organic molecules

118

Overview of aerobic respiration

119

Overview of aerobic respiration

• Glycolysis – glucose (6C) is oxidized and split into 2 molecules of pyruvic acid (3C)

• TCA – processes pyruvic acid and generates 3 CO₂ molecules

• Electron transport chain – accepts electrons NADH & FADH, generates energy through sequential redox reactions called oxidative phosphorylation

120

Glycolysis

121

TCA cycle

122

Electron transport system

123

Chemiosmosis

124

Fermentation

• Incomplete oxidation of glucose or other carbohydrates in the absence of oxygen

• Uses organic compounds as terminal electron acceptors

• Yields a small amount of ATP

• Production of ethyl alcohol by yeasts acting on glucose

• Formation of acid, gas & other products by the action of various bacteria on pyruvic acid

125

Fermentation

126

Products of fermentation

127

• Many pathways of metabolism are bi-directional or amphibolic

• Metabolites can serve as building blocks or sources of energy

– Pyruvic acid can be converted into amino acids through amination

– Amino acids can be converted into energy sources through deamination

– Glyceraldehyde-3-phosphate can be converted into precursors for amino acids, carbohydrates and fats