BIOENERGIKA DAN PEMBENTUKAN ATP

OLEH:ALFIANA PUTRIARGA TRIYANDANAENI SUYANTRINUGROHO AJIZUNI MITASARI

Karakteristik unik dari bumi memungkinkan adanya kehidupan didalamnya Biosfer

Energi untuk membangun dan mempertahankan kelangsungan hidup dalam menghadapi lingkungan yang terus memburuk

Dengan prinsip dasar bioenergenetik yakni pembelajaran tentang transformasi energi dalam kehidupan organisme.

Rumusan Masalah1. Apa yang dimaksud dengan hukum

thermodinamik dan konsep energi bebas dan entropi?

2. Bagaimana hubungan energi bebas dengan persamaan kimia, ilustrasikan bagaimana proses penempatan atas reaksi dari persamaan dapat digunakan untuk mengontrol reaksi vital?

3. Bagaimana keterlibatan reaksi oksidasi –reduksi dalam transformasi energi biologi?

4. Bagaimana model kemo-osmotik sintesis dari adenosine triphosphate (ATP) menjadi kunci mediator dari metabolisme energi biologi?

Bioenergenetik dan Transformasi Energi di dalam Kehidupan Organisme Matahari Sumber Energi Utama

Cahaya Air Udara

Unsur dasar yang dibutuhkan untuk menopang sebagian besar kehidupan

dibumi

BIOENERGENETIKA

Studi tentang proses bagaimana sel menggunakan, menyimpan dan

melepaskan energi. Komponen utama dalam bioenergetik adalah transformasi energi, atau konversi energi dari suatu

bentuk ke bentuk energi yang lain.

Aliran energi dipengaruhi oleh Hukum Termodinamika

HUKUM TERMODINAMIKA Hukum Thermodinamika I:Hukum Thermodinamika I:

““Dalam setiap perubahan baik fisik Dalam setiap perubahan baik fisik maupun maupun kimiakimia jumlah total tenaga di dunia jumlah total tenaga di dunia (sistem dan sekitarnya) adalah tetap”(sistem dan sekitarnya) adalah tetap”

Hukum Thermodinamika II:Hukum Thermodinamika II:““Semua perubahan baik fisik maupun Semua perubahan baik fisik maupun kkimiaimia akan berjalan kearah dimana tenaga akan berjalan kearah dimana tenaga ((useful energyuseful energy) berubah (yang tidak dapat ) berubah (yang tidak dapat kembali) menjadi bentuk random yang kembali) menjadi bentuk random yang disebutdisebut entropyentropy””

ENERGI BEBAS Energi yang terlibat dalam proses

metabolisme sel hidup adalah energi bebas yang dapat melakukan kerja pada suhu dan tekanan tetap

Dinyatakan dalam Persamaan :ΔG = ΔH – ΔG = ΔH –

T.ΔST.ΔSΔG ΔG = perubahan = perubahan energienergi bebas dalam sistem reaksi bebas dalam sistem reaksiΔHΔH = perubahan kandungan panas = = perubahan kandungan panas = enthalpyenthalpyTT = suhu absolute dimana proses berlangsung= suhu absolute dimana proses berlangsungΔSΔS = perubahan = perubahan entropyentropy (universe termasuk sistem (universe termasuk sistem sekitarnya)sekitarnya)

Hubungan antara perubahan energi bebas dengan konstanta equilibrium dapat dinyatakan sebagai berikut:

1. Jika G negatif (< 0), reaksi disebut eksergonik. Reaksi ini berlangsung secara spontan

2. Jika G positif (> 0), reaksi disebut endergonik. Reaksi tidak akan terjadi secara spontan, karena untuk dapat berlangsung perlu energi/ dikaitkan dgn reaksi eksergonik

3. Jika G sama dengan 0, reaksi berada dalam keadaan keseimbangan

HUBUNGAN ENERGI BEBAS & KESEIMBANGAN KIMIA

• Setiap reaksi kimia dapat mencapai pada titik kesimbangan antara reaktan dan produk.

• Terdapat reaksi dimana :Reaktan A Product B

Melalui Persamaan:Keq = [B]eq/[A]eq

K adalah keseimbangan ratio masa-aksi

• Hubungan diantara perubahan energi bebas (ΔG) dan proses keseimbangan konstan (Keq) dapat secara cepat dihitung dengan :

ΔG = ΔG0, + RT ln Keq

R = R = gas constantgas constant (1,987 cal/mol K) (1,987 cal/mol K)T = T = absolute temperatureabsolute temperature (298 K) (298 K)

The standard free energy The standard free energy change:change:

ΔGΔG00’’ = - 2,303 RT log K’eq= - 2,303 RT log K’eq= - 2.30 (1.987) (298) = - 2.30 (1.987) (298) log 19.0log 19.0= - 1360 (1.28)= - 1360 (1.28)= - 1740 cal/mol= - 1740 cal/mol

TRANSFORMASI ENERGI & REAKSI YANG MENYERTAINYA

Energi bebas ATP yang terkait dengan reaksi transpor phosphate

Energi Bebas ATP dan Reaksi Transfer Posfat

Reaksi Eksergonik

Reaksi Endergonik

Reaksi Eksergonik

Transfer energi dilakukan melalui transfer gugus Transfer energi dilakukan melalui transfer gugus fosfat:fosfat:

Katabolisme menghasilkan ATP atau senyawa fosfat yang pada hidrolisisnya menghasilkan Go’ yang lebih negatif dari pada ATP.

Anabolisme memanfaatkan ATP untuk menghasilkan senyawa antara yang dapat bereaksi secara spontan.

No. Senyawa Go’ (kJ/mol)*

1 F-enol piruvat -61,86

2 1,3-dF-gliserat -49,32

3 F-kreatin -43,05

4 F-arginin -32,19

5 ATP -30,51

6 Glukosa 1-F -20,90

7 Glukosa 6-F -13,79

8 Gliserol 1-F -9,20

* Go’ hidrolisis gugus fosfat

Penjelasan Struktur ATPATP berperan sebagai pembawa energi melalui ikatan anhidrida fosfat yang kaya energi.Konsep kaya energi disini bukan berarti energi ikatan, tetapi Go’ hidrolisis ikatan anhidrida fosfat:

ATP + H2O ADP + PI + H+; Go’ = -30,5 kJ/molADP + H2O AMP + PI + H+; Go’ = -30,5 kJ/mol

Tingginya Go’ yang negatif pada hidrolisis ini disebabkan oleh:

1. turunnya konsentrasi muatan negatif yang terlokalisasi disekitar gugus di/tri-fosfat,2. terjadinya delokalisasi elektron pada gugus fosfat yang dihasilkan dari hidrolisis,3. naiknya jumlah resonansi ikatan rangkap, dan4. terjadinya tolakan antar spesi hasil hidrolisis yang sama-sama bermuatan negatif

ATP berperan sebagai pembawa energi yang siap untuk dimanfaatkan, tetapi tidak dapat menyimpan seluruh energi yang dimiliki oleh

organisme.

O2H2O

ADP + Pi ATP

NADP+ NADPH + H+

NADH + H+NAD+

Hasil teroksidasiSeny organik tereduksi

Prekursor teroksidasiHasil biosintesis

Fosforilasi oksidatif

Katabolisme

Reaksi biosintesis

PERAN ATP, NADPH DAN NADH DALAM METABOLISMEPERAN ATP, NADPH DAN NADH DALAM METABOLISME

KemotrofEnergi kimia

Energi dan

Entropi

CO2, H2ONO3

-

Fototrof

Radiasi mataha

riO2,

Senyawa organik

Airan energi pada Airan energi pada organismeorganisme

Pemeliharaan ATP dilakukan melalui siklus berikut:

Senyawa organik + O2 CO2 + H2O

Oksidasi senyawa Oksidasi senyawa organikorganik

atauatauKatabolismeKatabolisme

Biosintesis Biosintesis (Anabolisme),(Anabolisme),

transpor aktif, transpor aktif, Kerja mekanik, Kerja mekanik,

ATPADP + PADP + Pii

Perubahan Energi Bebas Berhubungan Dengan Reaksi Reduksi - Oksidasi Reaksi reduksi – oksidasi (Reaksi redoks)

merupakan suatu keadaan dimana terjadi pertukaran elektron dari komponen satu ke komponen lainnya.

Dengan demikian, oksidasi pada satu komponen akan saling berhubungan atau berpasangan dengan reduksi pada komponen selanjutnya.

Reaksi Redoks

Suatu senyawa A mengalami reduksi (Ared) menjadi teroksidasi (Aox) ketika memberikan elektron.

Suatu senyawa B mengalami oksidasi (Box) menjadi tereduksi (Bred) ketika menerima elektron.

Jika reaksi tersebut di atas berpasangan, maka efeknya adalah pertukaran elektron dari senyawa A ke senyawa B, dimana Ared menjadi reduktan dan Box menjadi oksidan.

Reduksi 3-Phosphoglyceric Acid (PGA) menjadi Glyceraldehyde-3-P (GAP)

Reduksi PGA menjadi GAP dilakukan dengan mereduksi NADPH.

Oksidasi NADPH menjadi NADP+ berpasangan dengan PGA menjadi GAP.

Sebuah reduksi/oksidasi seperti NADPH/ NADP+

Disebut dengan pasangan redoks.

(A) nikotinamida adenina dinukleotida (NAD) dan adenin dinukleotida fosfat (NADP). Hanya cincin nikotinamida diubah oleh reaksi. Cincin nikotinamida menerima dua elektron tetapi hanya satu proton. Panah menunjukkan dimana elektron ditambahkan ke cincin nikotinamida.

(B) Flavin adenin dinukleotida (FAD) terdiri dari adenosin (adenin ditambah ribosa) dan riboflavin (ribitol ditambah isoalloxazine). Flavin mononucleotide (FMN) terdiri dari riboflavin saja. Penurunan terjadi pada isoalloxazine, yang menerima dua proton dan dua elektron.

(C) quinones. Cincin quinone yang melekat pada sebuah rantai hidrokarbon yang terdiri dari lima unit karbon isoprena. Nilai n adalah biasanya 9 untuk plastoquinone, ditemukan dalam kloroplas thylakoid membran, dan 10 untuk ubiquinone, ditemukan di dalam membran dari mitokondria. Pengurangan cincin quinone adalah dua langkah reaksi. Transfer dari satu elektron menghasilkan sebagian direduksi, bermuatan negatif semiquinone (tidak ditampilkan). Penambahan elektron kedua ditambah dua proton menghasilkan bentuk HYDROQUINON tereduksi sepenuhnya.

Potensial Redoks Adalah kemampuan senyawa untuk

menerima atau menyumbangkan elektron kepada pasangan redoks yang lain.

Potensial redoks memungkinkan untuk memprediksi besarnya transfer elektron dalam suatu sistem yang kompleks.

Untuk mengetahui aliran elektron pada fotosintesis dan respirasi harus memahami cara kerja potensial redoks ini dan aplikasinya.

Reaksi reduksi oksidasi seringkali melibatkan perpindahan proton.

Proton yang bermuatan positif akan diimbangi dengan elektron yang bermuatan negatif, sehingga menjadi netral.

Keterlibatan proton tersebut mengindikasikan bahwa reaksi redoks sangat sensitif terhadap pH

Midpoint Redoks Potensial (Em)

Arah transfer elektron antara pasangan redoks dapat diprediksi dengan membandingkan Em.

Termodinamika secara spontan mentransfer elektron dari pasangan yang memiliki potensial redoks lebih negatif menuju potensial redoks yang lebih positif.

Tranduksi energi membran bakteri, mitokondria dan kloroplas semuanya berisi sistem pengangkutan elektron yang melibatkan sejumlah operator elektron dengan titik tengah potensial redoks berbeda.

Perubahan Energi bebas Gibbs

Selain untuk memprediksi arah aliran elektron, potensial redoks juga dapat digunakan untuk menghitung perubahan energi bebas Gibbs pada reaksi transfer elektron.

Dimana, n adalah nomor elektron yang ditransfer dan F adalah konstanta Faraday (96 500 coulombs/mol).

Secara Biologi, transfer elektron dapat melibatkan baik elektron tunggal atau berpasangan, tetapi perhitungan energi hampir selalu didasarkan pada n = 2.

∆Em merupakan interval atau selisih redoks yang mana elektron yang ditransfer.

Untuk pasangan transfer elektron, air (donor) dengan NADP+ (penerima) dalam proses transfer elektron fotosintesis pada kloroplas ∆Em = (-320) – (+820) = -1140 mV = -1.14 V.

Nilai tersebut kemudian disubtitusikan ke dalam rumus

Hasilnya... ∆Gº’ = (-2) x 96 500 x (-1.14) = 220020 J 220 kJ Jika ∆Gº’ bernilai positif, mengindikasikan bahwa

transfer elektron tidak terjadi secara spontan. Pada fotosintesis, energi cahaya matahari digunakan

untuk memacu reaksi endergonik. Sebaliknya, mitokondria mentransfer elektron dari

NADH ke O2. Untuk reaksi transfer elektron ini, nilai ∆Em adalah (+1.14) dan hasil dari ∆Gº’ adalah (-220 kJ). Hal ini mengindikasikan bahwa transfer elektron pada mitokondria adalah reaksi eksogonik dan terjadi secara spontan.

Penting bahwa mekanisme molekuler yang terjadi dalam transfer elektron yang melibatkan proses yang sangat kompleks seperti fotosintesis, respirasi, dan siklus nitrogen tidak dipelajari dalam bioenergi ini.

STRUKTUR KLOROPLAS

Dalam kloroplas matang, kita mengenali empat daerah struktural utama atau kompartemen: ( 1 ) sepasang membran yang

membatasi bagian luar, secara kolektif dikenal sebagai selaput membran,

( 2 ) matriks tak beraturan atau stroma, ( 3 ) sistem internal yang sangat

terstruktur dari membran,disebut tilakoid , dan

( 4) ruang intra thylakoid, atau lumen

Plastida Termasuk organel sederhana yang

hanya terdapat pada tumbuhan Bermebran ganda Terdiri dari amiloplas, kromoplas, dan

kloroplas

Keterkaitan antara plastida

Amyloplast : menyimpan/mengumpulan kelebihan produk fotosintesis dalam bentuk pati.

Kloroplas (salam buah-buahan) –kromoplas (hilangnya klorofil)

Kromoplas . Karakteristik warna pada buah, buga,

Perkembangan Kloroplas pada tumbuhan tingkat tinggi

KOMPOSISI 2 MEMBRAN YANG BERBEDA

ENERGI TRANSDUKSI DAN SINTESIS ATP MELALUI KEMIOSMOSIS

KLOROPLAS DN MITOKONDRIA MENSINTESIS ATP DENGAN KEMIOSMOSIS

•  

Rumus Gaya Gerak Proton•  

• Adanya gaya gerak proton memudahkan pengembalian proton ke stroma tetapi rendahnya hantaran di membran tilakoid menyebabkan proton tidak mudah berdifusi balik.

• Fakta: Pengembalian proton ke stroma difasilitasi oleh

channel protein ATP sintase (kelompok enzim pensintesis ATP yang berukuran 400kDa, terdiri atas kompleks multisubunit, pasangan faktor CF0-CF1 yang terdiri atas dua multipeptida kompleks.

• KLOROPLAS Sintesis ATP (menggunakan cahaya) dengan

kemiosmosis fotofosforilasi• MITOKONDRIAKomplek transpor elektron respirasi memompa

proton dari matriks ke ruang intermembran untuk menstabilkan gradien proton

Energi potensial akibat gradien proton diperlukan untuk sintesis ATP Fosforilasi oksidatif

Hipotesis Kemiosmosis Mitchell

“ kemampuan dapat balik dari reaksi ATP sintase”•Artinya: di bawah kondisi yang cocok CF0-CF1 dan kompleks lain yang sama dapat menggunakan energi bebas negatif dari hidrolisis ATP untuk menyamakan gradien proton. •Contoh: membran plasma dan tonoplas mempunyai pompa proton ATPase memompa proton keluar sel atau vakuola.•Pompa proton ATPase prinsipnya menyediakan energi untuk mentransport ion lain dan molekul kecil lain melewati membran sel.