1 / 42

BIOENERGETIK

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:

stanislaw-aurek
Download Presentation

BIOENERGETIK

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. BIOENERGETIK Sukarti Moeljopawiro Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada

  2. 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”

  3. 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

  4. 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 • ΔG0positive: Produk mengandung tenaga bebas lebih besar dari reactant

  5. 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)

  6. PENENTUAN ΔG0 aA + bB cC + dD 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’ [C]c [D]d K’eq = [A]a [B]b ΔG0 = - 2,303 RT log K’eq

  7. RELATIONSHIPS BETWEEN K’eq, ΔG0 AND DIRECTION OF CHEMICAL REACTION UNDER STANDARD CONDITIONS

  8. PENENTUAN ΔG0’ Phosphoglucomutase Glucose 1-phosphate Glucose 6-phosphate 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 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 19.0 K’eq = = = [glucose 1-phosphate] 0,0010 ΔG0’ tidak sama dengan ΔG

  9. ΔG0 PADA RANGKAIAN REAKSI ΔGs0’ =ΔG10’ + ΔG20’ glucose 1-phosphate ΔG0’ = - 1,74 kcal/mol phosphoglucomutase 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

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

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

  12. STANDARD FREE ENERGY OF HIDROLYSIS OF SOME PHOSPHORYLATED COMPOUNDS

  13. ~P ~P ~P ~P ~P PERBANDINGAN TENAGA ATP DENGAN SENYAWA YANG LAIN 16 Phosphoenolpyruvate 14 Super high-energy P donor 12 3-phosphoglycerol phosphate Phosphocreatine 10 8 Standard free energy of hydrolysis kcal/mol ATP 6 Glucose-6-phosphate 4 Glicerol-6-phosphate 2 Low-energy P acceptor 0

  14. HIDROLISIS ATP ATP + H2O AMP + PPi ΔG0’ = - 7.7 kcal/mol 1 ΔG0’ = - 6.9 kcal/mol PPi + H2O 2 fosfat 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 ΔG0’ = - 14.6 kcal/mol ATP + 2H2O AMP + 2Pi

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

  16. LINTASAN METABOLISME Sukarti Moeljopawiro Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada

  17. 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

  18. 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

  19. 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.

  20. JALUR KATABOLISME Jalur katabolisme ada 3 tahap: • Tahap I Makromolekul (karbohidrat, lipid dan protein) dipecah menjadi buildingblocknya • 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

  21. JALUR UTAMA METABOLISME

  22. 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

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

  24. JALUR UTAMA METABOLISME

  25. Hydration 7 SIKLUS KREBS Dehydrogenation Malate H2O Fumarate Dehydrogenation

  26. TAHAP RESPIRASI SELULAR

  27. 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)

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. -0,4 -0,2 0,0 Eo +0,2 +0,4 +0,6 +0,8 TRANSPORT ELEKTRON & FOSFORILASI OKSIDATIF NADH E-FMN (NADH dehidrogenase) 2e- 2e- ATP Q b 2e- ATP C C1 a 2e- ATP O2 Tiga tempat penurunan tenaga bebas sangat besar yaitu tempat pembuatan ATP

  32. 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)

  33. FADH MASUK UBIQUINON

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. FOSFORILASI OKSIDATIF (1)

  38. FOSFORILASI OKSIDATIF (2)

  39. 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 agentThermogenin • Tidak mengganggu transport elektron • Tetapi menghentikan fosforilasi oksidatif • Sehingga tenaga yang dibebaskan berupa panas tidak untuk membuat ATP

  40. ENZIM UNTUK SINTESIS 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

  41. Terima Kasih

More Related