Bioenergetics and Bioenergetics and ThermodynamicsThermodynamics

Bioenergetika: Bioenergetika: pengertian dan batasanpengertian dan batasan

Bioenergetika menjelaskan transfer dan Bioenergetika menjelaskan transfer dan pemanfaatan energi dalam sistem biologi.pemanfaatan energi dalam sistem biologi.

Konsep energi bebas (Konsep energi bebas (GG) ) Konsep Konsep termodinamika terpenting dalam termodinamika terpenting dalam bioenergetikabioenergetika

GG = =HH - - TTSS Perubahan energi bebas merupakan ukuran Perubahan energi bebas merupakan ukuran

fisibilitas energetik untuk reaksi kimia fisibilitas energetik untuk reaksi kimia apakah reaksi akan berlangsung atau tidak?apakah reaksi akan berlangsung atau tidak?

Bioenergetika hanya memperhatikan Bioenergetika hanya memperhatikan keadaan energi awal dan akhir dari keadaan energi awal dan akhir dari komponen-komponen reaksi.komponen-komponen reaksi.

Perubahan energi bebasPerubahan energi bebas

G = H - TS

GG: Perubahan energi : Perubahan energi bebasbebas

• Energi yang digunakan Energi yang digunakan untuk untuk melakukan kerjamelakukan kerja..

• Mendekati nilai nol bila Mendekati nilai nol bila reaksi mendekati reaksi mendekati kesetimbangan.kesetimbangan.

• Meramalkan apakah reaksi Meramalkan apakah reaksi “favorable”.“favorable”.

GG: Perubahan energi : Perubahan energi bebasbebas

• Energi yang digunakan Energi yang digunakan untuk untuk melakukan kerjamelakukan kerja..

• Mendekati nilai nol bila Mendekati nilai nol bila reaksi mendekati reaksi mendekati kesetimbangan.kesetimbangan.

• Meramalkan apakah reaksi Meramalkan apakah reaksi “favorable”.“favorable”.

HH: Perubahan entalpi: Perubahan entalpi• Kalor yang dilepaskan Kalor yang dilepaskan

atau diserap selama atau diserap selama reaksi berlangsung.reaksi berlangsung.

• Tidak dapat meramalkan Tidak dapat meramalkan apakah reaksi apakah reaksi “favorable”“favorable”

HH: Perubahan entalpi: Perubahan entalpi• Kalor yang dilepaskan Kalor yang dilepaskan

atau diserap selama atau diserap selama reaksi berlangsung.reaksi berlangsung.

• Tidak dapat meramalkan Tidak dapat meramalkan apakah reaksi apakah reaksi “favorable”“favorable”

SS: Perubahan entropi: Perubahan entropi• Ukuran ketidak Ukuran ketidak

teraturanteraturan• Tidak dapat Tidak dapat

meramalkan apakah meramalkan apakah reaksi “favorable”.reaksi “favorable”.

SS: Perubahan entropi: Perubahan entropi• Ukuran ketidak Ukuran ketidak

teraturanteraturan• Tidak dapat Tidak dapat

meramalkan apakah meramalkan apakah reaksi “favorable”.reaksi “favorable”.

Perubahan energi bebasPerubahan energi bebas

Awal Awal

AwalAkhir

AkhirAkhir

G < 0G < 0G > 0G > 0

G = 0G = 0

Koordinat reaksi

En

erg

i b

eb

as

(G)

A B A B B A

ExergonicExergonic EndergonicEndergonic

EquilibriumEquilibrium

Sel memerlukan sumber Sel memerlukan sumber energi bebasenergi bebas

Sel adalah sistem isotermal.Sel adalah sistem isotermal. Kalor bukanlah sumber energi untuk Kalor bukanlah sumber energi untuk

melakukan kerja bagi sel.melakukan kerja bagi sel. Energi bebas adalah sumber energi bagi Energi bebas adalah sumber energi bagi

sel.sel. Sel memperoleh energi bebas dari Sel memperoleh energi bebas dari

molekul-molekul nutrien.molekul-molekul nutrien. Sel fotosintetik memperoleh energi bebas Sel fotosintetik memperoleh energi bebas

dari sinar matahari yang diserap.dari sinar matahari yang diserap. Kedua jenis sel mentransformasi energi Kedua jenis sel mentransformasi energi

bebas ke dalam ATP dan senyawa bebas ke dalam ATP dan senyawa berenergi tinggi lainnya.berenergi tinggi lainnya.

Perubahan energi bebasPerubahan energi bebas Secara umum definisi energi bebas Secara umum definisi energi bebas GG adalah adalah

GG = = GGoo + + RTRT ln ln cc + + wwmaxmax

wwmaxmax adalah kerja maksimum untuk kategori non adalah kerja maksimum untuk kategori non P-P-VV. Contoh pada proses transfer ion dengan muatan . Contoh pada proses transfer ion dengan muatan zz melalui membran dengan potensial melalui membran dengan potensial , maka kerja , maka kerja tambahan yang diperlukan adalah tambahan yang diperlukan adalah zFzF..

Untuk reaksi berikutUntuk reaksi berikutaA + bB aA + bB cC + dD cC + dD

yang berlangsung pada T dan P konstan dan hanya yang berlangsung pada T dan P konstan dan hanya melakukan kerja melakukan kerja P-VP-V, maka perubahan energi , maka perubahan energi bebasnya adalahbebasnya adalah

Dimana Dimana GGoo = = GGooCC

+ + GGooDD

- - GGooAA

- - GGooBB

c do o

a b

[C] [D]ln ln

[A] [B]G G RT Q G RT

c do o

a b

[C] [D]ln ln

[A] [B]G G RT Q G RT

Perubahan energi bebas Perubahan energi bebas standarstandar

Perubahan energi bebas standar (Perubahan energi bebas standar (GGoo) adalah ) adalah GG pada pada kondisi standar, yaitu kondisi dimana T = 298 K, P = 1 kondisi standar, yaitu kondisi dimana T = 298 K, P = 1 atm, dan [reaktan] dan [produk] = 1 mol/L atm, dan [reaktan] dan [produk] = 1 mol/L ln[produk]/[reaktan] = 0.ln[produk]/[reaktan] = 0.

GG = = GGoo + 0 + 0 Untuk sistem biologi ada syarat tambahan, yaitu pH = 7 Untuk sistem biologi ada syarat tambahan, yaitu pH = 7

(kondisi fisiologis) dan digunakan simbol (kondisi fisiologis) dan digunakan simbol GGoo’ ’ Karakteristik Karakteristik GGoo::

GGoo dapat digunakan untuk meramalkan kespontanan suatu dapat digunakan untuk meramalkan kespontanan suatu reaksi hanya pada kondisi standar.reaksi hanya pada kondisi standar.

GGoo memiliki hubungan dengan tetapan kesetimbangan ( memiliki hubungan dengan tetapan kesetimbangan (KK).).

Bila Bila KK = 1, maka = 1, maka GGoo = 0 = 0 A + B A + B C + D C + DBila Bila KK > 1, maka > 1, maka GGoo < 0 < 0 A + B A + B C + D C + DBila Bila KK < 1, maka < 1, maka GGoo > 0 > 0 A + B A + B C + D C + D

c do

a b

[C] [D]ln ln

[A] [B]G RT K RT

Energi bebas standarEnergi bebas standar Tanda Tanda GGoo’ dapat berbeda dari tanda ’ dapat berbeda dari tanda GG..

Contoh: Glukosa 6-fosfat (G6P) Contoh: Glukosa 6-fosfat (G6P) Fruktosa 6-fosfat (F6P) Fruktosa 6-fosfat (F6P) GGoo’ ’ > 0> 0Bila [G6P] >> [F6P] Bila [G6P] >> [F6P] RTRT ln [F6P]/[G6P] akan besar dan ln [F6P]/[G6P] akan besar dan negatif negatif GG < 0. < 0.

GGoo’ untuk dua reaksi bersambung adalah ’ untuk dua reaksi bersambung adalah penjumlahan penjumlahan GGoo’ untuk tiap reaksi (aditif) ’ untuk tiap reaksi (aditif) GG juga juga bersifat aditif.bersifat aditif.Contoh:Contoh:Glukosa + ATP Glukosa + ATP Glukosa 6-P + ADP Glukosa 6-P + ADP GGoo’ = ’ = 4000 kal/mol4000 kal/molGlukosa 6-P Glukosa 6-P Fruktosa 6-P Fruktosa 6-P GGoo’ = +400 kal/mol’ = +400 kal/molGlukosa + ATP Glukosa + ATP Fruktosa 6-P + ADP Fruktosa 6-P + ADP GGoo’ = ’ = 3600 kal/mol3600 kal/mol

Sifat aditif dari Sifat aditif dari GG sangat penting untuk memahami sangat penting untuk memahami reaksi-reaksi dalam jalur metabolisme, dimana reaksi-reaksi dalam jalur metabolisme, dimana substrat harus diolah melalui jalur dengan arah substrat harus diolah melalui jalur dengan arah tertentu, misalnya A tertentu, misalnya A B B C C D D … … Sepanjang nilai total dari Sepanjang nilai total dari GG negatif negatif, maka semua , maka semua reaksi pada jalur ini dapat berlangsung, meskipun reaksi pada jalur ini dapat berlangsung, meskipun ada beberapa tahap yang memiliki ada beberapa tahap yang memiliki GG positif. positif.

Senyawa-senyawa fosfat: Senyawa-senyawa fosfat: Sumber energi bebas dalam sistem Sumber energi bebas dalam sistem

biologibiologi Coupled Reactions (reaksi berpasangan)Coupled Reactions (reaksi berpasangan)

Contoh:Contoh:A A B B GGoo = +10 kJ/mol = +10 kJ/mol

Reaksi konversi A menjadi B bersifat endergonic. Pada saat Reaksi konversi A menjadi B bersifat endergonic. Pada saat yang sama terjadi reaksi lain yang sangat exergonic:yang sama terjadi reaksi lain yang sangat exergonic:

C C D D GGoo = = 30 kJ/mol30 kJ/molBila sel dapat mengatur agar kedua reaksi menjadi Bila sel dapat mengatur agar kedua reaksi menjadi berpasangan, maka berpasangan, maka GGo o total = +10 kJ/mol – 30 kJ/mol = total = +10 kJ/mol – 30 kJ/mol = 20 kJ/mol20 kJ/molsehingga reaksi konversi A menjadi B dapat berlangsung.sehingga reaksi konversi A menjadi B dapat berlangsung.

Reaksi hidrolisis senyawa fosfat (sangat Reaksi hidrolisis senyawa fosfat (sangat exergonic) berperan sebagai pasangan reaksi-exergonic) berperan sebagai pasangan reaksi-reaksi yang bersifat endergonic di dalam sel.reaksi yang bersifat endergonic di dalam sel.

Senyawa-senyawa fosfat: Senyawa-senyawa fosfat: Sumber energi bebas dalam sistem Sumber energi bebas dalam sistem

biologibiologi Fosfoenolpiruvat (PEP)Fosfoenolpiruvat (PEP)

PEP + HPEP + H22O O Piruvat + Pi Piruvat + Pi GGoo’ = -62 kJ/mol’ = -62 kJ/mol 1,3-Bis-fosfogliserat (1,3BPG)1,3-Bis-fosfogliserat (1,3BPG)

1,3BPG + H1,3BPG + H22O O 3PG + Pi 3PG + Pi GGoo’ = -49 kJ/mol’ = -49 kJ/mol Kreatin fosfat (CP)Kreatin fosfat (CP)

CP + HCP + H22O O kreatin + Pi kreatin + Pi GGoo’ = -43 kJ/mol’ = -43 kJ/mol Pirofosfat (PPi)Pirofosfat (PPi)

PPi + HPPi + H22O O 2P 2P GGoo’ = -33 kJ/mol’ = -33 kJ/mol Adenosin trifosfat (ATP)Adenosin trifosfat (ATP)

ATP + HATP + H22O O ADP + Pi ADP + Pi GGoo’ = -31 kJ/mol’ = -31 kJ/molATP + HATP + H22O O AMP + PPi AMP + PPi GGoo’ = -31 ’ = -31 kJ/molkJ/mol

Adenosin monofosfat (AMP)Adenosin monofosfat (AMP)AMP + HAMP + H22O O Adenosin + Pi Adenosin + Pi GGoo’ = -14 kJ/mol’ = -14 kJ/mol

Gliserol-1-fosfat (G1P)Gliserol-1-fosfat (G1P)G1P + HG1P + H22O O Gliserol + Pi Gliserol + Pi GGoo’ = -10 kJ/mol’ = -10 kJ/mol

Pote

nsi

Tra

nsf

er

Faktor2 yang berkontribusi pada Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai besarnya nilai GGoo’ hidrolsisi ’ hidrolsisi

senyawa fosfat:senyawa fosfat: Stabilisasi resonansi dari produk hidrolisisStabilisasi resonansi dari produk hidrolisis

Faktor2 yang berkontribusi pada Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai besarnya nilai GGoo hidrolsisi hidrolsisi

senyawa fosfatsenyawa fosfat Produk hidrolisis menambah jumlah Produk hidrolisis menambah jumlah

molekul yang dihidrasi. molekul yang dihidrasi. Bila Bila semua produk hidrasi bermuatan.semua produk hidrasi bermuatan.

Contoh: ATPContoh: ATP4-4- + H + H22O O ADP ADP3-3- + Pi + Pi2-2-

ATP4- + +

+

+

+

+

+

+ +

+ + +

+

+

+

+

ADP3- + +

+

+

+

+

+

+

+

+ +

+ + +

+

+

Pi2- + +

+

+ +

+ +

+

+

+

+ +

+

Tolak menolak elektrostatik antara Tolak menolak elektrostatik antara produk yang bermuatan sama.produk yang bermuatan sama.

Faktor2 yang berkontribusi pada Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai besarnya nilai GGoo hidrolsisi hidrolsisi

senyawa fosfatsenyawa fosfat

C

COO-

O P

O

O-

O-CH2

C

COO-

CH3

O HO P

O

O-

O-

++ H2O

Fosfoenolpiruvat (PEP) Piruvat

-O P

O

O

O-

C

HC

O

OH

H2C O P

O

O-

O-

+ H2O HO P

O

O-

O-

COO-

HC OH

H2C O P

O

O-

O-

+

1,3-Bis-fosfogliserat 3-Fosfogliserat (3PG)

Faktor2 yang berkontribusi pada Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai besarnya nilai GGoo hidrolsisi hidrolsisi

senyawa fosfatsenyawa fosfat

Stabilisasi tautomerisasi dari molekul produk.Stabilisasi tautomerisasi dari molekul produk.

Faktor2 yang berkontribusi pada Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai besarnya nilai GGoo’ hidrolisis ’ hidrolisis

senyawa fosfatsenyawa fosfat Proton (produk hidrolisis) yang dilepas tidak akan mengganggu Proton (produk hidrolisis) yang dilepas tidak akan mengganggu

kesetimbangan karena sel memiliki kesetimbangan karena sel memiliki sistem penyanggasistem penyangga (buffer (buffer systemsystem)). .

Contoh: ATP + HContoh: ATP + H22O O ADP + HPO ADP + HPO442-2- + H + H++

Adanya sistem penyangga menyebabkan Adanya sistem penyangga menyebabkan [H[H++] akan dijaga tetap ] akan dijaga tetap rendahrendah, sehingga rasio [H, sehingga rasio [H++]/[H]/[H22O] tidak akan mengalami perubahan O] tidak akan mengalami perubahan yang signifikan. Oleh karena nilainya yang hampir tetap, bagian yang signifikan. Oleh karena nilainya yang hampir tetap, bagian RTRTln{[Hln{[H++]/[H]/[H22O]} sering digabung dengan O]} sering digabung dengan GGoo, menjadi , menjadi GGoo’.’.

GGoo = = GGoo’’ + + RTRT ln [ADP][Pi]/[ATP] ln [ADP][Pi]/[ATP]

2o 4

2

2o 4

2

[ADP][HPO ][H ]ln

[ATP][H O]

[ADP][HPO ] [H ]ln ln

[ATP] [H O]

G G RT

G G RT RT

ATP menyediakan energi melalui ATP menyediakan energi melalui transfer gugus bukan dari transfer gugus bukan dari

hidrolisishidrolisis

Potensi transfer fosfat dan Potensi transfer fosfat dan peran strategis ATPperan strategis ATP

Potensi transfer fosfat dan Potensi transfer fosfat dan peran strategis ATP peran strategis ATP

Potensi transfer fosfat (PTP) = -Potensi transfer fosfat (PTP) = -GGoo’.’. ATP memiliki nilai PTP menengah ATP memiliki nilai PTP menengah Posisi yg Posisi yg

strategisstrategis, karena:, karena: ADP dapat berperan sebagai aseptor gugus fosfat dari ADP dapat berperan sebagai aseptor gugus fosfat dari

donor dengan nilai PTP lebih tinggi.donor dengan nilai PTP lebih tinggi.PEP PEP Piruvat + Pi Piruvat + Pi GGoo’ = ’ = 62 kJ/mol62 kJ/molADP + Pi ADP + Pi ATP ATP GGoo’ = +31 kJ/mol’ = +31 kJ/molPEP + ADP PEP + ADP piruvat + ATP piruvat + ATP GGoo’ = ’ = 31 kJ/mol31 kJ/mol

ATP kemudian dapat mendonorkan gugus fosfatnya ke ATP kemudian dapat mendonorkan gugus fosfatnya ke senyawa lain yang dengan nilai PTP lebih rendah. senyawa lain yang dengan nilai PTP lebih rendah. Contoh:Contoh:ATP ATP ADP + Pi ADP + Pi GGoo’ = ’ = 31 kJ/mol31 kJ/molGlukosa + Pi Glukosa + Pi ADP + G6P ADP + G6P GGoo’ = +14 kJ/mol’ = +14 kJ/molATP + glukosa ATP + glukosa ADP + G6P ADP + G6P GGoo’ = ’ = 17 kJ/mol17 kJ/mol

Tidak ada enzimTidak ada enzim di dalam sel yang dapat mentransfer di dalam sel yang dapat mentransfer gugus fosfat secara langsung dari donor dengan nilai PTP gugus fosfat secara langsung dari donor dengan nilai PTP tinggi ke aseptor dengan nilai PTP lebih rendah, kecuali tinggi ke aseptor dengan nilai PTP lebih rendah, kecuali melalui molekul intermediet, ATP.melalui molekul intermediet, ATP.

Hidrolisis ATP pada kondisi Hidrolisis ATP pada kondisi selsel

Nilai Nilai GGoo’ untuk hidrolisis ATP tidak ’ untuk hidrolisis ATP tidak mencerminkan nilai mencerminkan nilai GG pada kondisi sel, pada kondisi sel, karena:karena:

GG bergantung pada temperatur. bergantung pada temperatur. Nilai pH bervariasi antara 6,5 hingga 8.0 bergantung Nilai pH bervariasi antara 6,5 hingga 8.0 bergantung

jenis sel, jaringan dan organisme.jenis sel, jaringan dan organisme. Konsentrasi nyata untuk ATP, ADP dan Pi di dalam sel Konsentrasi nyata untuk ATP, ADP dan Pi di dalam sel

berbeda dan jauh dari nilai 1 M. Pada sel bakteri yang berbeda dan jauh dari nilai 1 M. Pada sel bakteri yang ditumbuhkan pada 37ditumbuhkan pada 37ooC, [ATP], [ADP], dan [Pi] dijaga C, [ATP], [ADP], dan [Pi] dijaga pada nilai 8, 1, dan 8 mM pada nilai 8, 1, dan 8 mM GG = = 49 kJ/mol 49 kJ/mol nilai nilai sebesar ini menjelaskan mengapa hidrolisis ATP sebesar ini menjelaskan mengapa hidrolisis ATP merupakan pendorong reaksi yang efektif.merupakan pendorong reaksi yang efektif.

Muatan energi Muatan energi keadaan energi sel. keadaan energi sel. 12[ATP]+ [ADP]

Muatan energi[ATP]+[ADP]+[AMP]

Proses yang memerlukan Proses yang memerlukan ATP sebagai sumber energiATP sebagai sumber energi

Reaksi kimia endergonikReaksi kimia endergonik Transport aktifTransport aktif Kontraksi ototKontraksi otot

Transport aktif: Coupling proses Transport aktif: Coupling proses transport ion dengan reaksi kimiatransport ion dengan reaksi kimia

Di dalam sel neuron, ketidakseimbangan konsentrasi KDi dalam sel neuron, ketidakseimbangan konsentrasi K+ + dan dan NaNa++ selalu dijaga. Konsentrasi K selalu dijaga. Konsentrasi K++ di dalam sel dijaga lebih di dalam sel dijaga lebih tinggi dibanding di luar, sebaliknya konsentrasi Natinggi dibanding di luar, sebaliknya konsentrasi Na++ di di dalam dijaga lebih rendah dibanding di luar sel.dalam dijaga lebih rendah dibanding di luar sel.

Ketidak seimbangan ini tercipta dengan bantuan ATPase Ketidak seimbangan ini tercipta dengan bantuan ATPase khusus, yaitu Nakhusus, yaitu Na++/K/K++ ATPase, yang secara simultan ATPase, yang secara simultan memompa ion dan menghidrolisis ATP.memompa ion dan menghidrolisis ATP.

2 K2 K++outout + 3 Na + 3 Na++

in in 2 K 2 K++inin + 3 Na + 3 Na++

outout

ATP + HATP + H22O O ADP + Pi ADP + Pi------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2 K2 K++outout + 3 Na + 3 Na++

inin + ATP + H + ATP + H22O O 2 K 2 K++inin + 3 Na + 3 Na++

outout + ADP + Pi + ADP + Pi Persamaan perubahan energi bebas untuk transport di atas:Persamaan perubahan energi bebas untuk transport di atas:

Dengan konvensi bahwa tanda negatif diberikan untuk Dengan konvensi bahwa tanda negatif diberikan untuk proses transport berlangsung dari luar ke dalam sel.proses transport berlangsung dari luar ke dalam sel.

+ 3 + 2out in+ 3 + 2in out

+ 3 + 2out in+ 3 + 2in out

[Na ] [K ]ln 3 ln 2

[Na ] [K ]

[Na ] [K ]ln

[Na ] [K ]

G RT F RT F

G RT F

Mekansime transport NaMekansime transport Na++KK++

Energi transport aktifEnergi transport aktif GG untuk kondisi dimana untuk kondisi dimana

[Na[Na++inin] = 10 mM; [Na] = 10 mM; [Na++

outout] = ] = 140 mM; [K140 mM; [K++

inin] = 100 mM; ] = 100 mM; [K[K++

outout] = 5 mM dan ] = 5 mM dan = 70 = 70 mV adalah +41,3 kJ/mol.mV adalah +41,3 kJ/mol.

Pada saat yang sama Pada saat yang sama terjadi hidrolisis ATP, terjadi hidrolisis ATP, dimana pada kondisi dimana pada kondisi fisiologis dapat fisiologis dapat menyumbangkan energi menyumbangkan energi sebesar sebesar 43,9 kJ/mol.43,9 kJ/mol.

GG = +41,3 – 43,9 < 0 = +41,3 – 43,9 < 0 proses transport proses transport favorablefavorable..

ATP ADP + Pi

Na+ = 10 mMK+ = 100 mM = 70 mV

140 mM5 mM

Na+ K+

ATP sumber energi konstraksi ATP sumber energi konstraksi otototot

Reaksi RedoksReaksi Redoks