BIOENERGETIK Sukarti Moeljopawiro Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada

BIOENERGETIK Bioenergetik: Salah satu bidang ilmu biokimia yang mempelajari tentang pemindahan dan penggunaan tenaga oleh sel hidup Hukum Thermodinamika I: “Dalam setiap perubahan baik fisik maupun khemis jumlah total tenaga di dunia (sistem dan sekitarnya) adalah tetap” Hukum Thermodinamika II: “Semua perubahan baik fisik maupun khemis akan berjalan kearah dimana tenaga (useful energy) berubah (yang tidak dapat kembali) menjadi bentuk random yang disebut entropy”

TENAGA BEBAS ΔH = “enthalpy” Jumlah panas yang dilepaskan atau diambil oleh sistem reaksi ke atau dari sekitarnya pada suhu dan tekanan tetap Tenaga Panas: Hanya dapat menghasilkan kerja kalau mengalir dari objek dengan suhu tinggi ke suhu rendah Tenaga Bebas = “free energy” Dapat bekerja pada suhu dan tekanan tetap

TENAGA BEBAS STANDAR ΔG0 = “standard free energy change”: Perbedaan antara kandungan tenaga bebas reactant dan kandungan tenaga bebas product pada kondisi standard (suhu 298 K, tekanan 1 atm dan reactant dan product = 1.0 M) ΔG0 negative: Produk mengandung tenaga bebas lebih sedikit dari reactant ΔG0 positive: Produk mengandung tenaga bebas lebih besar dari reactant

OKSIDASI GLUKOSA C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + + + + + + O2 (gas) CO2 (gas) + + + + + + Glucose (solid) H2O (liquid) ΔG = ΔH – T.ΔS ΔG = perubahan tenaga bebas dalam sistem reaksi ΔH = perubahan kandungan panas = enthalpy T = suhu absolute dimana proses berlangsung ΔS = perubahan entropy (universe termasuk sistem sekitarnya)

PENENTUAN ΔG0 aA + bB cC + dD [C]c [D]d K’eq = [A]a [B]b ΔG0 = - 2,303 RT log K’eq R = gas constant (1,987 cal/mol K) T = absolute temperature (298 K) Jika: K’eq = 1  ΔG0 = 0 K’eq > 1  ΔG0 negative = ‘exergonic’ K’eq < 1  ΔG0 positive = ‘endergonic’

components the reaction RELATIONSHIPS BETWEEN K’eq, ΔG0 AND DIRECTION OF CHEMICAL REACTION UNDER STANDARD CONDITIONS When K’eq is ΔG0 is Starting with 1.0 M components the reaction > 1.0 = 1.0 < 1.0 Negative Zero Positive Proceeds forward Is at equilibrium Proceeds in reverse

ΔG0’ tidak sama dengan ΔG PENENTUAN ΔG0’ Phosphoglucomutase Glucose 1-phosphate Glucose 6-phosphate Dimulai dengan : a. glucose 1-P : 0,0200 M atau b. glucose 6-P : 0,0200 M Baik a maupun b pada saat kesetimbangan, larutan reaksi berisi: 0.0010 M glucose 1-P and 0,0190 M glucose 6-P pada 25 ˚C dan pH 7,0 [glucose 6-phosphate] 0,0190 K’eq = = = 19.0 [glucose 1-phosphate] 0,0010 The standard free energy change: ΔG0’ = - 2,303 RT log K’eq = - 2.30 (1.987) (298) log 19.0 = - 1360 (1.28) = - 1740 cal/mol ΔG0’ tidak sama dengan ΔG

ΔG0 PADA RANGKAIAN REAKSI ΔGs0’ = ΔG10’ + ΔG20’ glucose 1-phosphate phosphoglucomutase ΔG0’ = - 1,74 kcal/mol glucose 6-phosphate glucose phosphate isomerase ΔG0’ = + 0,40 kcal/mol fructose 6-phosphate Standard free energy change: ΔGs0’ = -1,74 + (+0,40) = -1,34 kcal/mol glucose 1-phosphate fructose 6-phosphate ATP + H2O ADP + Pi ΔG0’ = -7,3 kcal/mol glucose 6-phosphatase glucose 6-phosphate + H2O glucose + phosphate ΔG0’ = -3,3 kcal/mol

ADENOSINE TRIPHOSPHATE (ATP) Adenin D-ribosa AMP ADP ATP The structure of ATP, ADP, and AMP at pH 7,0 The phosphate groups are fully ionized

SENYAWA ANTARA DENGAN KANDUNGAN TENAGA TINGGI Glucose Intermediate super high – energy compound 3-phosphoglyceroyl phosphate ATP Phosphoenolpyruvate ATP Lactate

STANDARD FREE ENERGY OF HIDROLYSIS OF SOME PHOSPHORYLATED COMPOUNDS ΔG0, kcal/mol Phosphoenolpyruvate 3- phosphoglyceroyl phosphate (  3-phosphoglycerate + P1) Phosphocreatine ADP ( AMP + P1) ATP ( ADP + P1) AMP ( adenosine + P1) Glucose 1- phosphate Fructose 6- phosphate Glucose 6- phosphate Gluycerol 1- phosphate 14.8 11.8 10.3 7.3 3.4 5.0 3.8 3.3 2.2

PERBANDINGAN TENAGA ATP DENGAN SENYAWA YANG LAIN 16 Phosphoenolpyruvate 14 Super high-energy P donor 12 3-phosphoglycerol phosphate ~P Phosphocreatine 10 ~P ~P Standard free energy of hydrolysis kcal/mol 8 ATP 6 ~P Glucose-6-phosphate ~P 4 Glicerol-6-phosphate 2 Low-energy P acceptor

HIDROLISIS ATP 1 2 ATP + H2O AMP + PPi ΔG0’ = - 7.7 kcal/mol PPi + H2O 2 fosfat ΔG0’ = - 6.9 kcal/mol Reaksi seluruhnya ATP + 2H2O AMP + 2Pi ΔG0’ = - 14.6 kcal/mol ATP + H2O ADP + Pi ΔG0’ = - 7.3 kcal/mol 2 ADP + H2O AMP + Pi ΔG0’ = - 7.3 kcal/mol Reaksi seluruhnya ATP + 2H2O AMP + 2Pi ΔG0’ = - 14.6 kcal/mol

ATP: Pembawa Energi dalam Organisme CO2 Biosynthesis Contraction & motility Active transport Transfer of genetic information H2O Catabolism ADP + Pi

LINTASAN METABOLISME Sukarti Moeljopawiro Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada

DUA KELOMPOK ORGANISME BERDASARKAN SUMBER KARBON YANG DIBUTUHKAN Makhluk hidup dibagi menjadi 2 berdasarkan bentuk karbon yang dibutuhkan: Autotrof (“self feeding”) Sel dapat menggunakan CO2 dari atmosfer sebagai satu-satunya sumber karbon Heterotrof (“feeding on others”) Tidak dapat menggunakan CO2 dari udara harus mendapatkan karbon dari sekitarnya dalam bentuk senyawa organik kompleks, misalnya glukosa

METABOLISME Metabolisme: reaksi enzimatis di dalam sel hidup yang diatur dengan sangat cermat dan merupakan aktivitas sel yang mutlak diperlukan serta melibatkan banyak sistem multienzim Fungsi metabolisme Mendapatkan tenaga kimia dari pemecahan nutrien dari sekitarnya / dari sinar matahari yang diserap Mengubah molekul nutrien menjadi senyawa dasar / prekursor untuk pembentukan makromolekul Menyusun senyawa dasar menjadi protein, asam nukleat, lipid, dan polisakarida

METABOLISME (lanjt.) Katabolisme: Tahap pemecahan nutrien organik (karbohidrat, lipid dan protein) yang datang baik dari lingkungan maupun timbunan nutrien sel itu sendiri dipecah menjadi senyawa yang lebih kecil  untuk mendapatkan tenaga berupa ATP Anabolisme: Tahap pembentukan/biosintesis, yaitu biosintesis komponen sel seperti asam nukleat, protein, polisakarida dan lipid dari prekursornya. Proses ini membutuhkan tenaga berupa ATP.

JALUR KATABOLISME Jalur katabolisme ada 3 tahap: Tahap I Makromolekul (karbohidrat, lipid dan protein) dipecah menjadi building blocknya Tahap II Senyawa yang terbentuk pada tahap I dipecah lagi menjadi senyawa yang lebih sederhana (senyawa dengan 3 karbon) kemudian diubah menjadi unit 2 karbon (asetil-CoA). Demikian juga asam amino dan asam lemak. Jadi, asetil-CoA merupakan produk pemecahan tahap II pada katabolisme Tahap III Gugus asetil dari asetil-CoA dipakai sebagai bahan dasar untuk siklus asam trikarboksilat (TCA cycle/siklus Krebs/siklus asam sitrat). Siklus ini merupakan jalur dimana semua nutrien penghasil energi dioksidasi menjadi CO2, H2O dan amonia sebagai hasil akhir

JALUR UTAMA METABOLISME

ANABOLISME & KATABOLISME Jalur anabolisme bukan kebalikan jalur katabolisme. Hal ini disebabkan: Tenaga Tenaga yang dihasilkan oleh katabolisme jumlahnya tertentu Enzim Enzim untuk anabolisme tidak sama dengan enzim untuk katabolisme Letak enzim Letak enzim anabolisme dan katabolisme berlainan

TRANSPORT ELEKTRON & FOSFORILASI OKSIDATIF Sukarti Moeljopawiro Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada

JALUR UTAMA METABOLISME

SIKLUS KREBS Dehydrogenation Malate 7 Hydration H2O Fumarate

TAHAP RESPIRASI SELULAR

OKSIDASI–REDUKSI Oksidasi : pemindahan / pembebasan elektron dari suatu substansi Reduksi : penambahan elektron ke suatu subtansi Reaksi pemindahan elektron adalah reaksi oksidasi – reduksi (reaksi redoks) Elektron donor e- + elektron akseptor Misalnya: Fe2+ e- + Fe3+ (elektron donor) (elektron akseptor)

OKSIDASI–REDUKSI (lanjt.) Tiap-tiap substansi mempunyai kemampuan untuk membebaskan elektron yang tidak sama. Kemampuan ini dinyatakan sebagai potensial reduksi (reduction potential) Potensial reduksi yang ditandai dengan harga yang makin negatif jika ada tendensi kehilangan elektron makin besar. Dan harga makin positif, jika mempunyai tendensi kemampuan menerima elektron makin tinggi Jadi, pasangan redoks yang mempunyai standar potensial lebih negatif akan memberikan elektronnya ke pasangan redoks yang standar potensial lebih positif  elektron mengalir dari pasangan redoks elektronegatif ke senyawa penerima elektron yang lebih elektropositif

OKSIDASI–REDUKSI (lanjt.) Elektron dapat mengalir dari elektronegatif ke elektropositif suatu sistem karena kehilangan tenaga bebas Elektron selalu bergerak ke suatu arah dimana tenaga bebas sistem tersebut menurun Makin besar perbedaan standar potensial antara pasangan redoks, makin banyak tenaga bebas yang hilang Jadi, pada saat elektron mengalir komplit dari NADH (Eo = -0,32 V) ke oksigen (Eo = +0,82 V) melalui beberapa molekul pembawa elektron kehilangan / membebaskan sejumlah besar tenaga bebas. Tenaga yang dibebaskan ini untuk pembuatan ATP

OKSIDASI–REDUKSI (lanjt.) Semua langkah reaksi enzimatis pada pemecahan oksidatif karbohidrat, lemak dan asam amino pada sel aerobik akhirnya sampai ke respirasi sel, dimana elektron mengalir dari substrat organik ke oksigen yang menghasilkan tenaga untuk pembuatan ATP dari ADP + Pi Fosforilasi oksidatif : suatu proses dimana ATP dibentuk pada waktu elektron dipindahkan dari NADH atau FADH ke O2 oleh suatu deretan senyawa pembawa elektron

TRANSPORT ELEKTRON & FOSFORILASI OKSIDATIF -0,4 -0,2 0,0 +0,2 +0,4 +0,6 +0,8 Eo NADH E-FMN (NADH dehidrogenase) 2e- 2e- ATP Q b 2e- ATP C1 C a 2e- ATP O2 Tiga tempat penurunan tenaga bebas sangat besar yaitu tempat pembuatan ATP

TRANSPORT ELEKTRON & FOSFORILASI OKSIDATIF (lanjt.) Setiap pasang elektron melalui rantai respirasi dari NADH  O2 dihasilkan 3 ATP dari 3 ADP dan 3 Pi NADH + H+ + ½ O2 + 3ADP + 3Pi  NAD+ + 3ATP + H2O Pasangan elektron dari suksinat (yang dihidrogenasi oleh enzim flavin dehidrogenase) akan menghasilkan 2 ATP karena pasangan elektron masuk langsung ke Ubiquinon (Coenzim Q)

FADH MASUK UBIQUINON

PEMBUATAN ATP DARI ADP DAN Pi 1. CHEMICAL COUPLING HYPOTHESIS Transport elektron dipasangkan ke ATP synthetase dengan suatu urutan reaksi Terbentuk senyawa antara bertenaga tinggi (karena adanya transport elektron) Senyawa dipecah, tenaga yang dihasilkan untuk pembuatan ATP 2. CONFORMATIONAL-COUPLING HYPOTHESIS Pemindahan elektron menyebabkan perubahan konformasi komponen protein  terbentuk senyawa bertenaga tinggi Perubahan konformasi menyebabkan mol F0F1ATPase aktif. Pada waktu F0F1ATPase yang aktif kembali ke konformasi normal akan dibebaskan tenaga untuk pembuatan ATP

PEMBUATAN ATP DARI ADP DAN Pi (lanjt.) 3. CHEMIOSMOTIC HYPOTHESIS Transport elektron memompa H+ dari matrix keluar, menyebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi H+ Diluar, konsentrasi H+ lebih tinggi daripada di dalam. Sehingga ion H+ ini dikembalikan ke dalam matrix melalui lubang spesifik di dalam mol F0F1ATPase Tenaga yang terbebas karena kembalinya ion H+ melalui F0F1ATPase menyebabkan terbentuknya ATP dari ADP dan Pi

SIFAT-SIFAT FOSFORILASI OKSIDATIF Yang menyokong hipotesa yang terakhir (chemiosmotic hypothesis) a. Belum ditemukannya senyawa antara berenergi tinggi yang menghubungkan transport elektron dengan sintesa ATP b. Fosforilasi oksidatif membutuhkan struktur inner membrane yang utuh Inner membrane harus utuh dan membentuk vesicle tertutup Rusak/berlubang merusak kemampuan fosforilasi oksidatif meskipun transport elektron dari substrat ke oksigen tetap berlangsung c. Membrane mitokondria yang dalam ini tidak permeable untuk ion H+, OH-, K+, dan ion Cl- Jika membran rusak menyebabkan ion-ion tertentu yang lain dapat lewat dan fosforilasi oksidatif terhenti

FOSFORILASI OKSIDATIF (1)

FOSFORILASI OKSIDATIF (2)

SENYAWA INHIBITOR FOSFORILASI OKSIDATIF Tiga senyawa inhibitor yang memblokir fosforilasi oksidatif: 1. Inhibitor transport elektron 2. Senyawa yang menghambat langsung pembentukan ATP misalnya oligomycin  memblokir fungsi F0F1ATPase kompleks 3. Uncoupling agent Thermogenin Tidak mengganggu transport elektron Tetapi menghentikan fosforilasi oksidatif Sehingga tenaga yang dibebaskan berupa panas tidak untuk membuat ATP

ENZIM UNTUK SINTESIS ATP ATP synthetase = F0F1ATPase Mempunyai 2 komponen F0 dan F1 F1 seperti pegangan pintu menonjol ke matrix terikat dengan tangkai pada F0 Fo menempel pada membrane yang dalam 0 disini bukan nol, tetapi oligomycin, yaitu toksik antibiotik yang terikat pada bagian komponen tersebut

Terima Kasih