Energetika Biokimia

Energi Bebas Reaksi Perubahan energi bebas (DG) reaksi menentukan spontanitasnya. Reaksi spontan jika DG negatif (jika enrgi babas produk kurang daripada rekatan). DGo' = perubahan energi bebas standard ( pada pH 7, reakatan dan produk 1M ); R = tetapan gas; T = suhu

DGo' reaksi bisa positif atau negatif , tergantung konsentrasi reaktan dan produk seluler . Bnyak reaksi DGo' positif menjadi spontan karena reaksi lain menyebabkan pengurangan produk atau menjaga konsentrasi substrat tinggi.

Pada kesetimbangan DG = 0. K'eq, rasio [C][D]/[A][B] pada kesetimbangan , adalah tetapan kesetimbangan (K'eq) yg lebih besar dari 1 menunjukkan reaksi spontan ( DG' negatif).

Variasi tetapan kesetimbangan DGo' (25 oC) DGo' = - RT ln K'eq Variasi tetapan kesetimbangan DGo' (25 oC)

Energy coupling Reaksi spontan bisa menggerakkan reaksi tak-spontan Peruabahan energi bebas reaksi terkopel : additif. Beberapa rekasi enzimatik dapat diinterpretasikan sbg dua reaksi stengah terkopel, satu spontan dan yg lain tak-spontan. Pada sisi aktif enzim, reaksi terkopel secara kinetik terfasilitasi, sementara reaksi setengah individu terhalangi. Perubahan energi bebas reaksi-reaksi setengah dijumlahkan , menghasilkan energi bebas reaksi terkopel.

Sebagai contoh, di dalam reaksi yg dikatalisis oleh enzim glikolisis Heksokinase, reaksi setengah adalah: ATP + H2O  ADP + Pi DGo' = -31 kJ/mol Pi + glucose  glucose-6-P + H2O DGo' = +14 kJ/mol Reaksi terkopel : ATP + glucose  ADP + glucose-6-P DGo' = -17 kJ/mol Struktur sisi aktif enzim , dari mana H2O dikeluarkan, menghalangi rekasi hidrolitik individu, menyokong reaksi terkopel.

B. Dua rekasi terpisah, yg terjadi di dalam bagian ruangan seluler yg sama, satu spontan yang lain tidak, dapat terkopel oleh common intermediate ( reaktan dan produk ). Enzim 1: A + ATP  B + AMP + PPi DGo' = + 15 kJ/mol Enzim 2: PPi + H2O  2 Pi DGo' = – 33 kJ/mol Reaksi spontan keseluruhan : A + ATP + H2O  B + AMP + 2 Pi DGo' = – 18 kJ/mol Pyrophosphate (PPi) sering sbg produk rekasi yg membutuhkan gaya pendorong. Hidrolisis spontan PPi, yg dikatalisis oleh enzim Pyrophosphatase , menggerakkan rekasi dimana PPi dihasilkan sebagai produk.

“Ikatan Berenergi Tinggi Ikatan Phosphoanhydride ( yg dibentuk oleh pengeluaran H2O di antara 2 asam fosfat atau di antara karboksilat dan asam fosfat) mempunyai DG hidrolisis negatif besar.

Ikatan Phosphoanhydride dikatakan "high energy" bonds= ikatan berenergi tinggi. Energi ikat tidak tinggi, tetapi DG hidrolisis. “Ikatan berenergi tinggi diwakili dg simbul "~“ . ~P mewakili gugus fosfat dg DG hidrolisis besar.

“High energy” bonds Senyawa “high energy bonds” dikatakan mempunyai potensi pemindah gugus tinggi Sbg contoh, Pi bisa dipotong secara spontan dari ATP utk ditransfer ke senyawa lain (misalnya kegugus hidroksil pada glukosa).

2 ~P bonds dapat dipotong, sebagai 2 fosfat yg dilepaskan dg hidrolisis dari ATP. AMP~P~P  AMP~P + Pi (ATP  ADP + Pi) AMP~P  AMP + Pi (ADP  AMP + Pi) Alternatively: AMP~P~P  AMP + P~P (ATP  AMP + PPi) P~P  2 Pi (PPi  2Pi)

ATP sering melayani sbg sumber energi. Pemotongan hidrolitik satu atau dua ikatan berenergi tinggi di dalam ATP dikopel dengan reaksi yg memerlukan energi (non-spontan) AMP berfungsi sbg sensor energi & sbg regulator metabolisme. Jika produksi ATP tidak mencukupi kebutuhan , AMP konsentrasi tinggi. AMP merangsang jalur metabolik yg menghasilkan ATP. Some examples of this role involve direct allosteric activation of pathway enzymes by AMP. Some regulatory effects of AMP are mediated by the enzyme AMP-Activated Protein Kinase.

Reaksi yg penting untuk menyetimbangkan ~P dalam bentuk adenin nukleotida di dalam sel dikatalsis oleh Adenilat Kinase:   ATP + AMP  2 ADP Reaksi Adeniklat Kinase juga peting karena substrat untuk sintesis , misalnya mitochondrial ATP Synthase, s ADP, sedangkan beberapa reaksi-seluler dephosphorylate ATP semuanya menghasilkan AMP. Enzim Nucleoside Diphosphate Kinase (NuDiKi) menyetimbangkan ~P diantara bermacam nukleotida yg dibutuhkan misalnya untuk sintesis DNA & RNA. NuDiKi mengkatalisis reaksi dapat balik berikut:: ATP + GDP  ADP + GTP, ATP + UDP  ADP + UTP, dll

Inorganic polyphosphate (Pi) Banayk organisme menyimpana energi sbg inorganic polyphosphate, suatu rantai panjang residu phosphate yg terhubungkan oleh ikatan phosphoanhydride: P~P~P~P~P... Hydrolisis rsidu Pi dari polyphosphate dapat dikopel dg reaksi yg membutuhkan energi. Tergantung organismenya atau tipe selnya, inorganic polyphosphate bisa mempunyai fungsi tambahan. Misalnya , utk cadangan Pi, pengikat ion logam , buffer, atau regulator. 

Phosphocreatine + ADP  ATP + creatine aPhosphocreatine (creatine phosphate), senyawa lain berenergi tinggi digunakan dalam syaraf dan otot utk simpanan ~P . Creatine Kinase mengkatalisis :   Phosphocreatine + ADP  ATP + creatine Ini reaksi dapat balik , dg tetapan kesetimbangan agak mengarah ke pembentukan phosphocreatine . Phosphocreatine diproduksi ketika level ATP tinggi. Jika ATP berkurang misalnya ketika otot bekerja, phosphate ditransfer dari phosphocreatine ke ADP, utk memulihkan konsentrasi ATP.

Phosphoenolpyruvate (PEP), yg terkait dg sintesis ATP di dalam Glycolysis, mempunyai DG hidrolisis P sangat tinggi .

Umumnya phosphate esters, yg dibentuk dg pelepasan air diantara gugus asam fosfat dan OH, mempunyai DG hidrolisis rendah namun negatif Contoh ATP

Contoh lain dari phosphate esters dengan DG hidrolisis rendah tetapi negatif : Glucose-6-phosphate atau glycerol-3-phosphate.

ATP mempunyai peranan khusus dalam pengkopelan energi& transfer Pi . DG hidrolisis fosfat dari ATP adalah di tengah Jadi ATP dapat bertidak sbg donor Pi & ATP dapat disintesis dg transfer Pi misalnya dari PEP.

Oksidasi atom besi berkaitan dg pelepasan elektron e- ke penerima e-): Fe++ (reduced)  Fe+++ (oxidized) + e- Karena di dalam ikatan C-O tergabung dg O, kenaikan oksidasi atom C berarti kenaikan jumlah ikatan C-O. Oksidasi karbon berjalan spontan (penghasil energi). Dua pembawa e- yg penting di dalam metabolisme : NAD+ & FAD.

NAD+, Nicotinamide Adenine Dinucleotide, adalah akaseptor e- dalam jalur katabolik. Cincin nicotinamide diturunkan dari vitamin n niacin, menerima 2 e- & 1 H+ (hidrida) menjado keadaan terduksi , NADH. NADP+/NADPH serupa tetapi untuk Pi. NADPH : donor e- dalam jalur sintetik.

NAD+/NADH Reaksi transfer elektron : NAD+ + 2e- + H+  NADH. Bisa ditulis juga : NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+

FAD (Flavin Adenine Dinucleotide), diturunkan dari vitamin riboflavin, f berfungsi sbg akseptor e-. Cincin dimethylisoalloxazine mengalami reduksi atau oksidasi. FAD menerima 2 e- + 2 H+ menuju keadaan tereduksi FAD + 2 e- + 2 H+  FADH2