BIOENERGETIKA
, OKSIDASI BIOLOGI DAN RANTAI RESPIRASI
Disajikan
sebagai Bahan Kuliah Biokimia bagi Mahasiswa D III Kebidanan
Penyusun:
Heru
Santoso Wahito Nugroho, S.Kep., Ns., M.M.Kes
Telefon:
0352-752747
(rumah), 081335251726 (mobile), 0351-895216 (kantor)
E-mail:
website:
www.heruswn.weebly.
com
Referensi:
http://www.biology.arizona.edu\biochemistry, 2003, The Biology
Project-Biochemistry
http://www.bioweb.wku.edu\courses\BIOL115\Wyatt, 2008, WKU Bio 113
Biochemistry
http://www.en.wikipedia.org, 2008, Oxidative Phosphorylation
http://www.gwu.edu\_mpb, 1998, The Metabolic Pathways of Biochemistry, Karl J. Miller
http://www.ull.chemistry.uakron.edu\genobc, 2008, General, Organic and Biochemistry
http://www.wiley.com\legacy\college\boyer\0470003790\animations\electron_transport, 2008, Interactive Concepts in Biochemistry:
Oxidative Phosphorylation
Murray RK, Granner
DK, Mayes PA, Rodwell VW, 2003, Biokimia
Harper, Edisi XXV, Penerjemah Hartono Andry, Jakarta: EGC
Stryer L, 1996, Biokimia, Edisi IV, Penerjemah:
Sadikin dkk (Tim Penerjemah Bagian Biokimia FKUI), Jakarta: EGC
Bioenergetika dan ATP
Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan
mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Sistem nonbiologik
dapat menggunakan energi panas untuk
melangsungkan kerjanya. Sedangkan sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi
kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Kaidah termodinamika dalam sistem
biologik
Kaidah pertama termodinamika:
Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang
berbunyi: energi total sebuah sistem,
termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini berarti bahwa saat terjadi
perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun
energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi
bentuk lain. Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas,
mekanik dan sebagainya.
Kaidah kedua termodinamika:
Kaidah kedua berbunyi: entropi
total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi
adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. Entropi akan mencapai
taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang
sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan
energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi (ΔS), diungkapkan dalam persamaan:
ΔG = ΔH – TΔS
Keterangan: ΔH adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu
absolut.
Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat ΔH kurang lebih sama
dengan ΔE, perubahan total energi internal di dalam reaksi, hubungan di atas
dapat diungkapkan dengan persamaan:
ΔG = ΔE – TΔS
Jika ΔG bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan
kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika ΔG sangat besar, reaksi
benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa membalik (irreversibel).
Jika ΔG bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika memperoleh
energi bebas (reaksi endergonik). Bila ΔG sangat besar, sistem akan stabil
tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi.
Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan
pengalihan energi
Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan
pasokan energi bebas dari lingkungannya. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses eksergonik
sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri
tertentu menggunakan reaksi Fe2+ à Fe3+. Sebaliknya organisme heterotrofik, memperoleh energi bebasnya dengan melakukan
metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.
|
Mg2+
|
Gambar 3.1 ATP diperlihatkan sebagai kompleks magnesium
Gambar 3.2 ATP dan ADP
Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting
dalam biokimia tertera pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus
terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi
rendah yang memiliki ΔG lebih rendah dari pada ΔG0 pada ATP. Kedua,
fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai ΔG lebih tinggi daripada ΔG0
pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat
dan sebagainya.
Senyawa biologik penting lain yang berenergi tinggi adalah tiol
ester yang mencakup koenzim A (misal asetil-KoA), protein pembawa asil,
senyawa-senyawa ester asam amino yang terlibat dalam sintesis protein,
S-adenosilmetionin (metionin aktif), uridin difosfat glukosa dan
5-fosforibosil-1-pirofosfat.
Tabel 3.1 Energi bebas baku hasil hidrolisis beberapa
senyawa
organofosfat yang memiliki peran penting dalam biokimia
|
Senyawa
|
ΔG0
|
|
|
kJ/mol
|
kkal/mol
|
|
|
Fosfoenolpiruvat
Karbamoil fosfat
1,3-bifosfogliserat
(sampai
3-fosfogliserat)
Kreatin fosfat
ATP à ADP + Pi
ADP à AMP + Pi
Pirofosfat
Glukosa 1-fosfat
Fruktosa 6-fosfat
AMP
Glukosa 6-fosfat
Gliserol 3-fosfat
|
-61,9
-51,4
-49,3
-43,1
-30,5
-27,6
-27,6
-20,9
-15,9
-14,2
-13,8
-9,2
|
-14,8
-12,3
-11,8
-10,3
-7,3
-6,6
-6,6
-5,0
-3,8
-3,4
-3,3
-2,2
|
Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~℗.
Simbol ini menunjukkan bahwa gugus yang melekat pada ikatan, pada saat
peralihan pada suatu akseptor yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan
kuantitas energi bebas yang lebih besar. Oleh karena itulah sebagian ahli
biokimia lebih menyukai istilah potensial
pemindahan gugus daripada ikatan
berenergi tinggi.
Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1,
maka ATP merupakan donor fosfat berenergi tinggi (donor energi bebas) bagi
senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat menerima fosfat berenergi
tinggi untuk membentuk ATP dari senyawa yang berada di atas ATP dalam tabel.
Akibatnya siklus ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan ~℗ dan
proses-proses yang menggunakan ~℗. Dengan demikian ATP terus dikonsumsi dan terus diproduksi. Proses terjadi dengan
kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP sangat kecil dan hanya cukup
untuk mempertahankan jaringan aktif dalam beberapa detik saja.
Ada 3 sumber utama ~℗ yang berperan
dalam konservasi atau penangkapan energi.
1. Fosforilasi oksidatif
Fosforilasi oksidatif adalah sumber ~℗ terbesar dalam
organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari
oksidasi rantai respirasi di dalam mitokondria dengan menggunakan oksigen.
2. Glikolisis
Dalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~℗ yang
terjadi akibat pembentukan laktat
3. Siklus asam sitrat
Dalam siklus asam sitrat satu ~℗ dihasilkan langsung pada
tahap suksinil tiokinase.
Oksidasi biologi
Oksidasi adalah pengeluaran elektron dan reduksi adalah
pemerolehan elektron. Sebagai contoh adalah oksidasi ion fero menjadi feri yang
dilukiskan pada Gambar 3.3. Dengan demikian oksidasi akan selalu disertai
reduksi akseptor elektron.
|
e-
(elektron)
Fe2+
Fe3+
|
Gambar 3.3 Oksidasi ion fero menjadi feri
Enzim-enzim penting dalam oksidasi biologi
Enzim-enzim yang terlibat dalam reaksi reduksi dan oksidasi dinamakan
enzim oksidoreduktase. Terdapat 4 kelompok enzim oksidoreduktase yaitu:
oksidase, dehidrogenase, hidroperoksidase dan oksigenase.
1.
Oksidase
Enzim oksidase
mengkatalisis pengeluaran hidrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen
sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim tersebut membentuk air atau hidrogen
peroksida. Contoh peran enzim tersebut dilukiskan pada Gambar 3.4
Gambar 3.4 Oksidasi metabolit yang dikatalisis oleh enzim oksidase
Termasuk sebagai oksidase antara lain sitokrom oksidase, oksidase
asam L-amino, xantin oksidase, glukosa oksidase.
2.
Dehidrogenase
Dehidrogenase tidak
dapat menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim ini memiliki 2
fungsi utama yaitu:
Pertama, berperan
dalam pemindahan hidrogen dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam
reaksi reduksi-oksidasi berpasangan.
Kedua, sebagai
komponen dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.
Gambar 3.5 Oksidasi
suatu metabolit yang dikatalisis oleh enzim-enzim dehidrogenase
Contoh dari enzim
dehidrogenase adalah suksinat dehidrogenase, asil-KoA dehidrogenase,
gliserol-3-fosfat dehidrogenase, semua sitokrom kecuali sitokrom oksidase.
3.
Hidroperoksidase
Enzim
hidroperoksidase menggunakan hidrogen peroksida atau peroksida organik sebagai
substrat. Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini yaitu peroksidase
dan katalase. Enzim hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap senyawa-senyawa
peroksida yang berbahaya. Penumpukan peroksida menghasilkan radikal bebas yang
dapat merusak membran sel dan menimbulkan kanker serta aterosklerosis.
4.
Oksigenase
Oksigenase mengkatalisis pemindahan
langsung dan inkorporasi oksigen ke dalam molekul substrat. Enzim ini
dikelompokkan menjadi 2 yaitu monooksigenase dan dioksigenase.
Rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif
Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat
tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi
yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem respirasi dengan
proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi
oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dari substrat
respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob.
Proses fosforilasi oksidatif
Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul
bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor
elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer
langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara
lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD+) dan flavin adenin
dinukleotida (FAD).
Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke
oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran
mitokondria (Gambar 3.7). Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran
elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan
bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif.
Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase
oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis.
NAD+
FAD
Gambar 3.6 Struktur kimia NAD+ dan FAD
Gambar 3.7 Ringkasan proses fosforilasi oksidatif di dalam
mitokondria
Rantai transport elektron membawa
proton dan elektron, memindahkan elektron dari donor ke akseptor dan mengangkut
proton melalui membran.
|
Kompleks I
|
|||||||||||||||
|
Kompleks II
|
|||||||||||||||
|
Kompleks III
|
|||||||||||||||
|
Kompleks IV
Gambar 3.8 Tahap-tahap proses fosforilasi oksidatif
|
Secara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses
dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing kompleks I, kompleks II, kompleks III,
kompleks IV dan kompleks V (Tabel 3.2).
Tabel 3.2 Informasi tentang enzim yang berperan dalam
fosforilasi oksidatif
|
Nama
|
Penyusun
|
kDa
|
Polypeptides
|
|
Kompleks
I
|
NADH
dehydrogenase (or)
NADH-coenzyme Q reductase |
800
|
25
|
|
Kompleks
II
|
Succinate
dehydrogenase (or)
Succinate-coenzyme Q reductase |
140
|
4
|
|
Kompleks
III
|
Cytochrome
C - coenzyme Q oxidoreductase
|
250
|
9-10
|
|
Kompleks
IV
|
Cytochrome
oxidase
|
170
|
13
|
|
Kompleks
V
|
ATP
synthase
|
380
|
12-14
|
Pada Gambar 3.8, kotak biru (gelap) di bawah menunjukkan reaksi
oksidasi-reduksi yang terjadi pada masing-masing kompleks enzim.
Singkatan-singkatan diuraikan sebagai berikut: FMN: flavin mononukleotida, Fe2+S:
besi tereduksi-sulfur, Fe3+S: besi teroksidasi-sulfur, cyt:
sitokrom, CoQ: koenzim Q.
1.
Kompleks
I
Pada
tahap ini, masing-masing molekul NADH memindahkan 2 elektron berenergi tinggi
ke FMN, kemudian ke protein besi-sulfur dan terakhir ke koenzim Q (ubiquinon)
2.
Kompleks
II
FADH2
dihasilkan oleh suksinat dehidrogenase dalam siklus asam sitrat, memindahkan
elektron ke CoQ melalui kompleks II. FADH2 dihasilkan oleh asil KoA
dehidrogenase dalam oksidasi beta asam lemak, memindahkan elektron ke CoQ
melalui kompleks yang sama.
3.
Kompleks
III
CoQ
memindahkan elektron ke serangkaian sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom
terdiri atas kelompok heme seperti hemoglobin dan besi dengan heme menerima
elektron.
4.
Kompleks
IV
Penerima
terakhir dari rantai transport elektron adalah kompleks besar terdiri atas 2
heme dan 2 atom tembaga.
5.
Kompleks
V
Pada tahap ini,
protein kompleks yang mengkatalisis konversi ADP menjadi ATP, diisikan oleh
gradien kemiosmotik. Proton mengalir kembali ke matriks mitokondria melalui
kompleks ATP sintase dan energi berasal dari penurunan gradien pH digunakan
untuk membentuk ATP.
Pada fosforilasi oksidatif, pelibatan NADH menghasilkan pembentukan 3
molekul ATP, sedangkan pelibatan FADH2
menghasilkan pembentukan 2 molekul
ATP.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar