Bioenergetik dalam kehidupan

Bioenergetika mempelajari tentang

transformasi (perpindahan) dan penggunaan energi (tenaga) dalam sistem hayati ditinjau dari hukum energi (thermodinamika)

yang berlaku.

Berdasarkan hukum energi maka dengan mudah akan diketahui arah suatu reaksi

dan energi yang dibutuhkan atau dikeluarkan dalam suatu reaksi.

Untuk dapat melangsungkan kehidupan, organisme harus mampu mengekstrak energi dari lingkungannya untuk diubah menjadi energi kimia dan mengubah

BIOENERGETIKA

(Biokimia Tenaga)

Hukum thermodinamika pertama adalah konservasi energi:

energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan,

jumlah total energi secara universal adalah konstan, tetapi yang terjadi hanyalah perubahan bentuk energi dari fisik (cahaya, panas dll) ke energi kimiawi atau sebaliknya.

Hukum thermodinamika kedua menyatakan bahwa setiap proses yang terjadi di alam akan menyebabkan peningkatan kekacauan

(ketidakberaturan) atau entropy (S) secara global

Keterkaitan hukum thermodinamika dengan sistem hayati

Organisme merupakan bagian dari sistem global, akan tetapi sistem hayati

merupakan sistem terbuka yang melibatkan energi dan materi dari luar organisme (lingkungan) untuk membentuk bagian dari tubuhnya dan beraktivitas.

Hukum thermodinamika II dapat diformulasikan sebagai perubahan energi bebas

G = Perubahan energi bebas (energi untuk melakukan kerja) dalam satuan kalori atau Joule.

H = Perubahan kandungan panas yang terjadi atau perubahan enthalpi (kalori/mol), apabila reaksi melepaskan panas, H adalah negatif dan

Thermodynamic Terms

  G: [Energy]

_products

– [Energy]

_reactants

; is negative if reaction is spontaneous and

energy is released (exergonic)

  H: [Heat content]

_products

– [Heat content]

_reactants

; is negative if heat is released (exothermic)

  S: [Entropy]

_products

– [Entropy]

_reactants

; is

positive if products are “simpler” (i.e.

more disordered)

Overall:  G =  H - T  S

Cara untuk mengukur  G

Ada beberapa cara untuk mengukur perubahan energi bebas:

1. Menggunakan alat bom kalorimeter (mesin untuk mengukur besarnya kalori suatu bahan atau senyawa

2. Berdasarkan hukum thermodinamika II: G = H - TS akan tetapi kesulitan untuk mengukur S (entropi)

3. Berdasarkan perubahan energi bebas dalam kondisi standar (G’), yakni pada suhu, tekanan konstan semua sistem cenderung menuju keseimbangan (ekuilibrium) (pada tekanan 1 atmosfer, suhu 25 C)

Free Energy Nomenclature

  G

^o

: used by the chemist for reactions under “standard conditions” of pressure, temperature, and solutes at 1M

vs.

  G’

^o

: used by the biochemist for reactions under “standard conditions” of pressure,

temperature, and pH 7 (because we can’t

work at 1M H

⁺

!)

Persamaan yang sangat penting

• Ada hubungan antara perubahan energi bebas

dengan konstanta ekuilibrium yang sudah pasti untuk suatu reaksi, sebab  G’

^o

mengacu ke kondisi standar (1 M konsentrasi, pH 7, 25

^o

C,

tekanan1 atmosfer, dll.)

  G’

^o

= - RT ln = - RT ln K’ [C][D]

_eq

[A][B]

Untuk reaksi A + B C + D

A + B C + D K’

_eq

= [C][D]

[A][B]

Untuk reaksi

Hubungan antara konstanta ekuilibrium K’eq dan  G’ 

• Jadi, jika K

_eq

>> 1, pada kondisi ekuilibrium

maka akan lebih banyak produk {[C][D]} yang

dilepas daripada reaktan [{A][B], dan

• Dimulai dari 1M untuk masing-masing, maka reaksi akan kearah

kanan:  G akan negatif, selama,

Apabila suatu reaksi dimulai dengan konsentrasi 1M

A + B C + D

jika pada kondisi ekuilibrium

[C][D]

^[A][B]

= K’

_eq

>> 1

Kemana arah reaksi?

  G disini menunjukkan suatu reaksi akan berjalan atau tidak, dengan

membandingkan kondisi awal ke kondisi ekuilibrium, selama

K’

Sehingga persamaannya menjadi:

apabila  G = - RT ln K’

_eq

+ RT ln K’

_start

• Maka  G = RT ( ln K’

_start

- ln K’

_eq

)

= RT ln (K’

_start

/ K’

_eq

)

dan akan menjadi positif jika

K’

_start

> K’

_eq

 G’total merupakan hasil penambahan

Suatu reaksi akan terus berlanjut, jika satu atau lebih produk yang dihasilkan dipindahkan dengan:

- reaksi lain yang memiliki G negatif yang tinggi

- memindahkan produk tsb ke lain ruang dalam sel (cellular compartment)

- mensekresikan/mengeksresikan produk tsb keluar sel

- mengubah bentuknya menjadi bentuk lain (misalnya: zat terlarut menjadi gas

Senyawa berenergi tinggi, seperti ATP, memiliki  G’s negatif yang tinggi

ATP digunakan untuk

• memindahkan gugus senyawa untuk

mengantarkan reaksi pasangan endorgonik

- dalam kondisi seluler, lebih banyak energi yang didapat daripada G’^o standard

Contoh energetika glikolisis

Energi bebas yang dihasilkan dari oksidasi glukosa adalah bertahap:

• Total  G yang dihasilkan dari perubahan glukosa menjadi CO

₂

dan air sebesar – 2840 kJ/mol, tetapi

• setiap tahap oksidasi menghasilkan ~ 60 kJ/mol,

• hanya cukup untuk membentuk 1 molekul ATP, dan

• elektron yang dilepaskan dari tahap ini ditransfer ke

koenzim yang terspesialisasi membawa elektron,

antara lain NAD

⁺

and FAD

Perubahan energi bebas (G) tidak ada hubungannya dengan kecepatan reaksi, misalnya pada oksidasi glukosa:

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 6 O

₂

 6 CO

₂

+ 6 H

₂

O

Energi yang dibebaskan G = -2840 kJ/mol

Glukosa Oksigen

(gas)

CO₂ (gas)

7 molekul 12 molekul

Dari reaksi pemecahan glukosa oleh oksigen terbentuk 12 molekul baru (6 molekul karbondioksida dan 6 molekul air) yang sama sekali berbeda dengan 7 molekul sebelumnya (1 molekul glukosa dan 6

molekul oksigen)

Energi yang dibebaskan dalam sistem tersebut dapat diubah menjadi

bentuk energi lainnya, sedang molekul yang dihasilkan dapat dikeluarkan dari sistem, sehingga derajad ketidakberaturan dalam sistem terbuka

(misalnya sistem hayati) tsb menjadi rendah.

Keterangan:

- Reaksi pemecahan glukosa tsb berlangsung cepat dalam alat bom kalorimete (alat untuk mengukur besarnya kalori suatu bahan)

- Reaksi berlangsung sangat lambat dalam botol berisi udara - Dalam sel reaksi dapat berlangsung beberapa menit sampai beberapa jam

Energi bebas untuk beberapa reaksi kimia dalam kondisi standar