ENERGI DAN METABOLISME

Kegunaan energi kimia dalam sel BIOSINTESIS KONTRAKSI DAN GERAKAN TRANSPOR AKTIF TRANSFER BAHAN GENETIK

Dari mana energinya? Dari makanan. Energi yang diekstrak dari makanan digunakan untuk memberi energi gugus fosfat agar dapat membentuk ATP.

ATP (Adenosin Tri Fosfat) ATP memiliki energi yang dapat dilepaskan dengan mudah melalui pemutusan ikatan pada fosfat ketiga. Energi yang dilepaskan digunakan untuk menjalankan proses-proses kehidupan.

ATP (Adenosin Tri Fosfat) Pembebasan fosfat ketiga mengubah ATP menjadi molekul yang memiliki 2 gugus fosfat ( ADP). ADP dapat membentuk ATP kembali bila terdapat gugus fosfat dan energi.

p p p ATP energi masuk energi keluar Tanjakan energi p p p p p p Figure: 07-01 Title: Storing and releasing energy. Caption: Adenosine triphosphate (ATP) is the most important energy-releasing molecule in our bodies. The energy it contains is used to power everything from muscle contraction to thinking. P + ADP P + ADP

Memperoleh Energi dari Makanan Bagaimana makanan diubah menjadi energi? Apakah nutrisi yang berbeda diekstrak energinya melalui cara yang berbeda?

Metabolisme NUTRISI PENGHASIL ENERGI Karbohidrat Lemak Protein MAKRO- MOLEKUL SEL Polisakarida Lipida Protein Asam Nucleat ENERGI KIMIA ATP NADH/NADPH FADH2 Katabolisme Anabolisme MOLEKUL PREKURSOR Asam Amino Gula Asam Lemak Basa Nitrogen HASIL AKHIR RENDAH ENERGI CO2 H2O NH3

Tiga tahap katabolisme DEGRADASI BIOMOLEKUL BESAR MENJADI MOLEKUL “BUILDING BLOCK” DEGRADASI MOLEKUL “BUILDING BLOCK” MENJADI SENYAWA UMUM HASIL DEGRADASI DEGRADASI SENYAWA UMUM HASIL DEGRADASI MENJADI SENYAWA HASIL AKHIR YANG SEDERHANA

MOLEKUL “BUILDING BLOCK” Katabolisme tahap I Protein MOLEKUL BESAR MOLEKUL “BUILDING BLOCK” Asam amino Poli sakarida Glukosa Lipida Gliserol, Asam Lemak

MOLEKUL “BUILDING BLOCK” Katabolisme tahap II MOLEKUL “BUILDING BLOCK” Asam amino HASIL UMUM DEGRADASI Glukosa Asam Piruvat Asetil ko-A Gliserol, Asam Lemak

HASIL AKHIR YAN SEDRHANA Katabolisme tahap III HASIL UMUM HASIL AKHIR YAN SEDRHANA Asam Piruvat Asetil ko-A CO2 H2O

Katabolisme Glukosa

Glikolisis Terjadi di sitoplasma. Memotong 1 molekul gula berkarbon 6 menjadi 2 molekul gula berkarbon 3 (asam piruvat adalah hasil akhir). Tidak menghasilkan banyak energi (hanya dihasilkan 2 ATP), tetapi dapat berlangsung sangat cepat dan tidak membutuhkan oksigen (anaerobik).

ADP ATP ADP ATP glukosa glukosa 6-fosfat fruktosa 6-fosfat Figure: 07-05a Title: Summary of glycolysis. Caption: In glycolysis, the single glucose molecule is transformed in a series of steps into two molecules of a substance called pyruvic acid. These two molecules then move on to the next stage of cellular respiration (the Krebs cycle). Meanwhile, glycolysis also produces two molecules of electron-carrying NADH, which move directly to the electron transport chain. Although two molecules of ATP are used up in the earlier stages of glycolysis, four more are produced in the later stages, for a net production of two ATP molecules per glucose molecule. The carbon atoms are represented by red circles, and the phosphate groups are represented by yellow circles. fruktosa 6-fosfat ADP ATP fruktosa 1,6-difosfat

2 NAD+ + 2 P + 2 H+ 2 ADP 2 ATP 2 ADP 2 ATP fruktosa 1,6-difosfat gliseraldehida 3-fosfat 2 NAD+ + 2 P 2 NADH + 2 H+ Asam 1,3-difosfogliserat 2 ADP 2 ATP Figure: 07-05b Title: Summary of glycolysis. Caption: In glycolysis, the single glucose molecule is transformed in a series of steps into two molecules of a substance called pyruvic acid. These two molecules then move on to the next stage of cellular respiration (the Krebs cycle). Meanwhile, glycolysis also produces two molecules of electron-carrying NADH, which move directly to the electron transport chain. Although two molecules of ATP are used up in the earlier stages of glycolysis, four more are produced in the later stages, for a net production of two ATP molecules per glucose molecule. The carbon atoms are represented by red circles, and the phosphate groups are represented by yellow circles. Asam 3-fosfogliserat 2 ADP 2 ATP Asam piruvat

Glikolisis Beberapa bakteri dan jasad eukaryot hanya menggunakan Glikolisis sebagai cara untuk memperoleh energi. Fermentasi alkohol yang dilakukan khamir pada keadaan tanpa oksigen mengubah asam piruvat menjadi alkohol. Fermantasi asam laktat yang terjadi di banyak sel jaringan hewan pada keadaan tanpa oksigen mengubah asam piruvat menjadi asam laktat.

PERHITUNGAN ENERGI Membutuhkan 2 ATP. Menghasilkan energi cukup untuk menggabungkan fosfat ke 4 molekul ADP membentuk 4 ATP. Hasil 4 ATP – perlu 2 ATP = Hasil bersih 2 ATP.

Berlari 30 detik Perolehan energi melalui glikolisis, karena cepat. Tidak membutuhkan oksigen (anaerobik). Dihasilkan asam laktat yang dapat membakar otot.

Berlari 10 menit? Perlu energi lebih banyak. Tidak boleh terbentuk asam laktat terlalu banyak, maka kondisi tidak boleh anaerob.

Jangka waktu lari maksimal Detik Menit 10 30 60 2 4 10 30 60 120 % anaerobik 90 80 70 50 35 15 5 2 1 Figure: 07-09-01UN Title: Different contributions over time. Caption: Relative contributions of anaerobic and aerobic respiration to exercise during the duration of a workout. At the 1-minute mark, aerobic respiration is supplying only 30 percent of the body's energy needs; at the 10-minute mark, it is supplying 85 percent. (Adapted from Astrand, P. O., and Rodahl, K. Textbook of Work Physiology. New York: Mc-Graw Hill Book Company, © 1977.) % aerobik 10 20 30 50 65 85 95 98 99

Peran Oksigen dalam Katabolisme Glukosa?

RESPIRASI SEL Tiga tahap penuaian energi Glikolisis Daur Krebs Rangkaian transpor elektron

Respirasi sel dan Mitokondria Daur Krebs dan rangkaian transpor elektron terjadi di dalam mitokondria

sel Membran luar membran dalam mitokondrion Figure: 07-06a Title: Energy transfer in the mitochondria. Caption: Mitochondria are organelles, or “tiny organs,” that exist within cells. They are the location for the second and third sets of steps in cellular respiration, the Krebs cycle and the electron transport chain. Following a transitional step (see Figure 7.7), the products of glycolysis—the downstream products of the original glucose molecule—pass into the inner compartment of a mitochondrion, where the Krebs cycle takes place. Electrons derived from the Krebs cycle then migrate, via electron carriers, from the Krebs cycle site into the highly folded inner membrane of the mitochondrion, where the bulk of ATP is produced in the electron transport chain. Membran luar membran dalam mitokondrion

Rangkaian transpor elektron membrandalam glikolisis membrane luar H+ H+ H+ H+ H+ Rangkaian transpor elektron Daur Krebs H+ H+ H+ H+ Figure: 07-06b Title: Energy transfer in the mitochondria. Caption: Mitochondria are organelles, or “tiny organs,” that exist within cells. They are the location for the second and third sets of steps in cellular respiration, the Krebs cycle and the electron transport chain. Following a transitional step (see Figure 7.7), the products of glycolysis—the downstream products of the original glucose molecule—pass into the inner compartment of a mitochondrion, where the Krebs cycle takes place. Electrons derived from the Krebs cycle then migrate, via electron carriers, from the Krebs cycle site into the highly folded inner membrane of the mitochondrion, where the bulk of ATP is produced in the electron transport chain. e- O2 kompartemen luar H2O kompartemen dalam

Peralihan antara Glikolisis dan Daur Krebs Asam piruvat hasil glikolisis menuju ke mitokondria. Berikatan dengan koenzim A membentuk asetil koA, 1 molekul NADH, dan CO2. Daur Krebs terjadi di kompartemen dalam dari mitokondria.

Menuju ke rangkaian transpor elektron glikolisis mitokondrion Asam piruvat cytosol NAD+ koenzim A NADH Menuju ke rangkaian transpor elektron Figure: 07-07 Title: Transition between glycolysis and the Krebs cycle. Caption: The pyruvic acid product of glycolysis does not enter directly into the Krebs cycle. Rather, it must first be transformed into acetyl coenzyme A. The consequences of this reaction are the production of CO2, which dissolves into the bloodstream, and the production of an NADH molecule, which continues onto the electron transport chain. Because one molecule of glucose produces two molecules of pyruvic acid, two molecules of NADH are produced per glucose molecule in this transitional step. koA asetll koenzim A CO2 Kompartemen dalam Daur Krebs

Rangkaian transpor elektron SUMMARY OF THE KREBS CYCLE 6 NADH GLYCOLYSIS 2 FADH2 CoA Daur Krebs asetil koenzim A CO2 2 ATP Rangkaian transpor elektron 1. asam oksaloasetat asam sitrat NAD+ NADH NADH NAD+ 2. 6. CO2 asam a-ketoglutarat Figure: 07-08 Title: Summary of the Krebs cycle. Caption: The Krebs cycle is the major source of electrons that are transported to the electron transport chain by the electron carriers NADH and FADH2. For each molecule of glucose, two molecules of acetyl coenzyme A enter the Krebs cycle. Through a series of reactions, a total of 6 NADH, 2 FADH2, and 2 ATP are produced per glucose molecule. (From counting the number of NADH and FADH2 around the cycle, it would appear that only 3 NADH and 1 FADH2 are produced, but remember that one molecule of glucose results in two “trips” around the cycle, as two molecules of acetyl coenzyme A will enter the Krebs cycle for every molecule of glucose that is metabolized.) asam malat 3. CO2 FADH2 FAD+ NAD+ NADH 5. ADP 4. asam suksinat turunan asam a-ketoglutarat ATP

Ringkasan Daur Krebs Asetil koA didegradasi sempurna menjadi CO2. Hanya 1 ATP yang dihasilkan dari setiap asetil koA yang memasuki Daur Krebs (total 2 ATP tiap glukosa). Semua elektron dapat diikat dalam bentuk 6 NADH (per glukosa) untuk diproses lebih lanjut melalui rangkaian transpor elektron.

Katabolisme, Transfer Elektron dan Reaksi Oksidasi Reduksi Elektron dibebaskan dari oksidasi nutrisi selama katabolisme. Elektron dipindahkan oleh pembawa elektron melalui suatu proses untuk menghasilkan ATP.

Oksidasi - Reduksi Oksidasi: Pengambilan/pemindahan elektron dari suatu senyawa. Reduksi: Penambahan/pemberian elektron kepada suatu senyawa.

OKSIDASI-REDUKSI DALAM SEL Dalam sel hidup, beragam molekul terlibat dalam proses transfer energi. Masing-masing molekul memiliki kecenderungan untuk mendapatkan atau kehilangan elektron. Di dalam sel, proses oksidasi dan reduksi tidak terjadi secara terpisah. Proses oksidasi-reduksi yang terjadi berpasangan disebut REAKSI REDOKS.

PEMBAWA ELEKTRON Molekul yang memindahkan elektron selama proses oksidasi reduksi di dalam sel. NADH, FADH2 adalah molekul pembawa elektron

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) Di dalam sel, NAD terdapat dalam 2 bentuk: Bentuk membawa elektron atau atom hidrogen ( NADH) dan tanpa atom hidrogen (NAD+). NAD+ berperan sebagai senyawa pengoksidasi, bila menerima atom hidrogen dan elektron, menjadi NADH.

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) NADH dapat memindahkan elektron ke molekul lain, dan kembali menjadi NAD. Proses pemindahan ini dikendalikan/dilakukan oleh enzim.

- - - - + NAD+ NADH NAD+ kosong terisi kosong + + H proton NAD H teroksidasi - + - + NAD NAD H - - - + Figure: 07-03 Title: The electron carrier NAD+. Caption: In its unloaded form (NAD+) and its loaded form (NADH), this molecule is a critical player in energy transfer, picking up energetic electrons from food and transferring them to later stages of respiration. - H tereduksi + H

Rangkaian Transpor Elektron NADH memindahkan elektron ke suatu rangkaian molekul yang terdapat di membran dalam mitokondria. Perpindahan elektron mengakibatkan perpindahan ion H+ melawan gradien konsenrasi.

Rangkaian Transpor Elektron Energi yang terbentuk pada saat masuknya kembali ion H+ ke dalam mitokondria melalui ATP sintase, digunakan untuk menggabungkan fosfat dengan ADP untuk membentuk ATP. Dihasilkan ATP yang lebih banyak pada tahap ini (32 ATP per glukosa).

Rangkaian Transpor Elektron Di akhir rangkaian O2 + 2 electrons + 2 H+ = H2O. Penyebab kebutuhan oksigen.

RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON mitokondria GLYCOLYSIS KREBS CYCLE inner membrane ELECTRON TRANSPORT CHAIN 32 ATP inner compartment O2 H2O outer compartment Kompartemen bagian luar SINTESIS ATP H+ H+ H+ H+ H+ inner membrane H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Figure: 07-09 Title: The electron transport chain. Caption: The movement of electrons through the ETC powers the process that provides the bulk of the ATP yield in respiration. The electrons carried by NADH and FADH2 are released into the ETC and transported along its chain of molecules. The movement of electrons along the chain releases enough energy to power the pumping of hydrogen ions (H+) across the membrane into the outer compartment of the mitochondrion. It is the subsequent energetic “fall” of the H+ ions back into the inner compartment that drives the synthesis of ATP molecules by the enzyme ATP synthase. H+ H+ NADH H+ ATP synthesis NAD+ 2 H+ + 1/2 O2 ADP + P Kompartemen bagian dalam H2O ATP RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON

Molekul lain yang digunakan pada respirasi food PROTEIN KARBOHIDRAT LEMAK amino acids sugars glycerol fatty acids Molekul lain yang digunakan pada respirasi GLIKOLISIS glukosa Asam piruvat acetyl CoA Figure: 07-10 Title: Many respiratory pathways. Caption: Glucose is not the only starting material for cellular respiration. Other carbohydrates, proteins, and fats can also be used as fuel for cellular respiration. These reactants enter the process at different stages. DAUR KREB NH3 (ammonia) RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON

RESPIRASI SEL Tiga tahap penuaian energi Glikolisis Daur Krebs Rangkaian transpor elektron Reaksi secara keseluruhan: C6H12O6 + 6 O2 + ADP  6 CO2 + 6 H2O + ATP.