Bioenergetics and Thermodynamics

Bioenergetika: pengertian dan batasanBioenergetika menjelaskan transfer dan pemanfaatan energi dalam sistem biologi.Konsep energi bebas (G) Konsep termodinamika terpenting dalam bioenergetikaG =H - TSPerubahan energi bebas merupakan ukuran fisibilitas energetik untuk reaksi kimia apakah reaksi akan berlangsung atau tidak?Bioenergetika hanya memperhatikan keadaan energi awal dan akhir dari komponen-komponen reaksi.

Perubahan energi bebasG = H - TSG: Perubahan energi bebasEnergi yang digunakan untuk melakukan kerja.Mendekati nilai nol bila reaksi mendekati kesetimbangan.Meramalkan apakah reaksi favorable.H: Perubahan entalpiKalor yang dilepaskan atau diserap selama reaksi berlangsung.Tidak dapat meramalkan apakah reaksi favorableS: Perubahan entropiUkuran ketidak teraturanTidak dapat meramalkan apakah reaksi favorable.

Perubahan energi bebasAwalAwalAwalAkhirAkhirAkhirG < 0G > 0G = 0Koordinat reaksiEnergi bebas (G)A BA BB AExergonicEndergonicEquilibrium

Sel memerlukan sumber energi bebasSel adalah sistem isotermal.Kalor bukanlah sumber energi untuk melakukan kerja bagi sel.Energi bebas adalah sumber energi bagi sel.Sel memperoleh energi bebas dari molekul-molekul nutrien.Sel fotosintetik memperoleh energi bebas dari sinar matahari yang diserap.Kedua jenis sel mentransformasi energi bebas ke dalam ATP dan senyawa berenergi tinggi lainnya.

Perubahan energi bebasSecara umum definisi energi bebas G adalahG = Go + RT ln c + wmaxwmax adalah kerja maksimum untuk kategori non P-V. Contoh pada proses transfer ion dengan muatan z melalui membran dengan potensial , maka kerja tambahan yang diperlukan adalah zF.Untuk reaksi berikutaA + bB cC + dDyang berlangsung pada T dan P konstan dan hanya melakukan kerja P-V, maka perubahan energi bebasnya adalah

Dimana Go = GoC + GoD - GoA - GoB

Perubahan energi bebas standarPerubahan energi bebas standar (Go) adalah G pada kondisi standar, yaitu kondisi dimana T = 298 K, P = 1 atm, dan [reaktan] dan [produk] = 1 mol/L ln[produk]/[reaktan] = 0.G = Go + 0Untuk sistem biologi ada syarat tambahan, yaitu pH = 7 (kondisi fisiologis) dan digunakan simbol Go Karakteristik Go:Go dapat digunakan untuk meramalkan kespontanan suatu reaksi hanya pada kondisi standar.Go memiliki hubungan dengan tetapan kesetimbangan (K).

Bila K = 1, maka Go = 0A + B C + DBila K > 1, maka Go < 0A + B C + DBila K < 1, maka Go > 0A + B C + D

Energi bebas standarTanda Go dapat berbeda dari tanda G. Contoh: Glukosa 6-fosfat (G6P) Fruktosa 6-fosfat (F6P) Go > 0Bila [G6P] >> [F6P] RT ln [F6P]/[G6P] akan besar dan negatif G < 0.Go untuk dua reaksi bersambung adalah penjumlahan Go untuk tiap reaksi (aditif) G juga bersifat aditif.Contoh:Glukosa + ATP Glukosa 6-P + ADP Go = 4000 kal/molGlukosa 6-P Fruktosa 6-P Go = +400 kal/molGlukosa + ATP Fruktosa 6-P + ADP Go = 3600 kal/molSifat aditif dari G sangat penting untuk memahami reaksi-reaksi dalam jalur metabolisme, dimana substrat harus diolah melalui jalur dengan arah tertentu, misalnya A B C D Sepanjang nilai total dari G negatif, maka semua reaksi pada jalur ini dapat berlangsung, meskipun ada beberapa tahap yang memiliki G positif.

Senyawa-senyawa fosfat: Sumber energi bebas dalam sistem biologiCoupled Reactions (reaksi berpasangan)Contoh:A BGo = +10 kJ/molReaksi konversi A menjadi B bersifat endergonic. Pada saat yang sama terjadi reaksi lain yang sangat exergonic:C DGo = 30 kJ/molBila sel dapat mengatur agar kedua reaksi menjadi berpasangan, maka Go total = +10 kJ/mol 30 kJ/mol = 20 kJ/molsehingga reaksi konversi A menjadi B dapat berlangsung.

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

Senyawa-senyawa fosfat: Sumber energi bebas dalam sistem biologiFosfoenolpiruvat (PEP)PEP + H2O Piruvat + PiGo = -62 kJ/mol1,3-Bis-fosfogliserat (1,3BPG)1,3BPG + H2O 3PG + PiGo = -49 kJ/molKreatin fosfat (CP)CP + H2O kreatin + PiGo = -43 kJ/molPirofosfat (PPi)PPi + H2O 2PGo = -33 kJ/molAdenosin trifosfat (ATP)ATP + H2O ADP + PiGo = -31 kJ/molATP + H2O AMP + PPi Go = -31 kJ/molAdenosin monofosfat (AMP)AMP + H2O Adenosin + PiGo = -14 kJ/molGliserol-1-fosfat (G1P)G1P + H2O Gliserol + PiGo = -10 kJ/molPotensi Transfer

Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai Go hidrolsisi senyawa fosfat:Stabilisasi resonansi dari produk hidrolisis

Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai Go hidrolsisi senyawa fosfatProduk hidrolisis menambah jumlah molekul yang dihidrasi. Bila semua produk hidrasi bermuatan.Contoh: ATP4- + H2O ADP3- + Pi2-ADP3-+ + + + + + + +

Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai Go hidrolsisi senyawa fosfatTolak menolak elektrostatik antara produk yang bermuatan sama.

Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai Go hidrolsisi senyawa fosfatStabilisasi tautomerisasi dari molekul produk.

Faktor2 yang berkontribusi pada besarnya nilai Go hidrolisis senyawa fosfatProton (produk hidrolisis) yang dilepas tidak akan mengganggu kesetimbangan karena sel memiliki sistem penyangga (buffer system). Contoh: ATP + H2O ADP + HPO42- + H+

Adanya sistem penyangga menyebabkan [H+] akan dijaga tetap rendah, sehingga rasio [H+]/[H2O] tidak akan mengalami perubahan yang signifikan. Oleh karena nilainya yang hampir tetap, bagian RTln{[H+]/[H2O]} sering digabung dengan Go, menjadi Go.Go = Go + RT ln [ADP][Pi]/[ATP]

ATP menyediakan energi melalui transfer gugus bukan dari hidrolisis

Potensi transfer fosfat dan peran strategis ATP

Potensi transfer fosfat dan peran strategis ATP Potensi transfer fosfat (PTP) = -Go.ATP memiliki nilai PTP menengah Posisi yg strategis, karena:ADP dapat berperan sebagai aseptor gugus fosfat dari donor dengan nilai PTP lebih tinggi.PEP Piruvat + PiGo = 62 kJ/molADP + Pi ATPGo = +31 kJ/molPEP + ADP piruvat + ATP Go = 31 kJ/molATP kemudian dapat mendonorkan gugus fosfatnya ke senyawa lain yang dengan nilai PTP lebih rendah. Contoh:ATP ADP + PiGo = 31 kJ/molGlukosa + Pi ADP + G6PGo = +14 kJ/molATP + glukosa ADP + G6PGo = 17 kJ/molTidak ada enzim di dalam sel yang dapat mentransfer gugus fosfat secara langsung dari donor dengan nilai PTP tinggi ke aseptor dengan nilai PTP lebih rendah, kecuali melalui molekul intermediet, ATP.

Hidrolisis ATP pada kondisi selNilai Go untuk hidrolisis ATP tidak mencerminkan nilai G pada kondisi sel, karena:G bergantung pada temperatur.Nilai pH bervariasi antara 6,5 hingga 8.0 bergantung jenis sel, jaringan dan organisme.Konsentrasi nyata untuk ATP, ADP dan Pi di dalam sel berbeda dan jauh dari nilai 1 M. Pada sel bakteri yang ditumbuhkan pada 37oC, [ATP], [ADP], dan [Pi] dijaga pada nilai 8, 1, dan 8 mM G = 49 kJ/mol nilai sebesar ini menjelaskan mengapa hidrolisis ATP merupakan pendorong reaksi yang efektif.Muatan energi keadaan energi sel.

Proses yang memerlukan ATP sebagai sumber energiReaksi kimia endergonikTransport aktifKontraksi otot

Transport aktif: Coupling proses transport ion dengan reaksi kimiaDi dalam sel neuron, ketidakseimbangan konsentrasi K+ dan Na+ selalu dijaga. Konsentrasi K+ di dalam sel dijaga lebih tinggi dibanding di luar, sebaliknya konsentrasi Na+ di dalam dijaga lebih rendah dibanding di luar sel.Ketidak seimbangan ini tercipta dengan bantuan ATPase khusus, yaitu Na+/K+ ATPase, yang secara simultan memompa ion dan menghidrolisis ATP.2 K+out + 3 Na+in 2 K+in + 3 Na+outATP + H2O ADP + Pi------------------------------------------------------------------------------2 K+out + 3 Na+in + ATP + H2O 2 K+in + 3 Na+out + ADP + PiPersamaan perubahan energi bebas untuk transport di atas:

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

Mekansime transport Na+K+

Energi transport aktifG untuk kondisi dimana [Na+in] = 10 mM; [Na+out] = 140 mM; [K+in] = 100 mM; [K+out] = 5 mM dan = 70 mV adalah +41,3 kJ/mol.Pada saat yang sama terjadi hidrolisis ATP, dimana pada kondisi fisiologis dapat menyumbangkan energi sebesar 43,9 kJ/mol.G = +41,3 43,9 < 0 proses transport favorable.ATP ADP + PiNa+ = 10 mMK+ = 100 mM = 70 mV140 mM5 mMNa+K+

ATP sumber energi konstraksi otot

Reaksi Redoks