OKSIDASI BIOLOGIOKSIDASI BIOLOGI

Muncul Wiyana, M. KepMuncul Wiyana, M. Kep

Bioenergetika atau termodinamika biokimia Bioenergetika atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain tidak. sedangkan sebagian yang lain tidak.

Sejumlah sistem non biologik dapat Sejumlah sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk menggunakan energi panas untuk melaksanakan kerjanyamelaksanakan kerjanya

sistem biologi pada hakekatnya bersifat sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik dan memakai energi kimia untuk isotermik dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. memberikan tenaga bagi proses kehidupan.

Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron pengeluaran dan perolehan elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman tentang sifat melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. oksidasi biologi.

Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen. peran molekul oksigen.

Mitokondria sebagai organella pernapasan sel karena Mitokondria sebagai organella pernapasan sel karena didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel. rantai pernapasan sel.

Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif.

Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dengan proporsi yang lebih menangkap energi bebas dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.

Dalam mitokondria, energi bebas yang Dalam mitokondria, energi bebas yang terkandung dalam molekul kecil dari bahan terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah mnjadi suatu alat tukar energi makanan diubah mnjadi suatu alat tukar energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ).

Energi ikatan kimia yang terkandung dalam ATP Energi ikatan kimia yang terkandung dalam ATP dalam kontraksi otot diubah oleh miosin menjadi dalam kontraksi otot diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. energi mekanik.

Membran dan organel sel mempunyai pompa Membran dan organel sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. molekul dan ion.

ATP juga digunakan untuk berbagai aktiviatas ATP juga digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya. sel lainnya.

Struktur ATPStruktur ATP

ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik

Eksergonik = Proses dimana berlangsungnya reaksi-Eksergonik = Proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas selalu reaksi yang melepaskan energi bebas selalu

endergonik proses yang reaksi-reaksinya endergonik proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebasmemerlukan energi bebas

Keduanya berangkaianKeduanya berangkaian Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses

katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam proses anabolisme. terdapat dalam proses anabolisme.

Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang melepas energi bebas selalu disertai melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk senyawa dengan potensial membentuk senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. energi lebih tinggi.

Senyawa pembawa atau senyawa antara Senyawa pembawa atau senyawa antara energi tinggi yang utama adalah ATP energi tinggi yang utama adalah ATP

ATP adalah nukleotida yang terdiri dari ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin adenin ribosa ribosa trifosfat . trifosfat .

Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Mg2+ atau Mn2+.

Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat

(Pi) atau (Pi) atau ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan

pirofosfat (Ppi). pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara

termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan. menguntungkan.

Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (tGº = + 13,8 adalah reaksi yang endergonik (tGº = + 13,8 kj/mol)kj/mol)

agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tGº = - 30,5 hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tGº = - 30,5 kj/mol ) sehingga berlangsung dengan mudah kj/mol ) sehingga berlangsung dengan mudah dan sangat eksergonik (tGº = - 16,7 kj/mol ). dan sangat eksergonik (tGº = - 16,7 kj/mol ).

Konversi antar ATP, AMP dan ADP Konversi antar ATP, AMP dan ADP Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis

reaksi : reaksi : ATP + AMP ATP + AMP ↔↔ ADP + ADP. ADP + ADP.

Reaksi memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP Reaksi memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). (menghasilkan ATP).

Beberapa reaksi biosintesis dijalankan oleh Beberapa reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATPnukleotida trifosfat yang analog dengan ATP guanosin trifosfat (GTP)guanosin trifosfat (GTP) uridin trifosfat (UTP) uridin trifosfat (UTP) sitidin trifosfat (CTP). sitidin trifosfat (CTP).

Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk- bentuk dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP.

Transfer gugus fosforil terminal dari satu kelain Transfer gugus fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat kinase seperti reaksi-reaksi nukleosida difosfat kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDP ATP + GDP ↔↔ ADP + GTP ADP + GTP ATP + GMP ATP + GMP ↔↔ ADP + GDP. ADP + GDP.

ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan ikatan fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. berenergi tinggi.

Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami hidrolisis. hidrolisis.

Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P dan menunjukkan senyawa yang punya potensial ~ P dan menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. transfer fosforil tinggi.

Ada tiga sumber utama ~ P peristiwa fosforilasi oksidatif, Ada tiga sumber utama ~ P peristiwa fosforilasi oksidatif, reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasanreaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan glikolisis, membentuk total dua ~ P glikolisis, membentuk total dua ~ P siklus asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada siklus asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada

konversi suksinil ko-A menjadi suksinat. konversi suksinil ko-A menjadi suksinat.

Tiga tahap penuaian energiTiga tahap penuaian energi GlikolisisGlikolisis Daur KrebsDaur Krebs Rangkaian transpor elektronRangkaian transpor elektron

RESPIRASI SELRESPIRASI SEL

Terjadi di sitoplasma.Terjadi di sitoplasma.Memotong 1 molekul gula berkarbon 6 Memotong 1 molekul gula berkarbon 6

menjadi 2 molekul gula berkarbon 3 menjadi 2 molekul gula berkarbon 3 (asam piruvat adalah hasil akhir).(asam piruvat adalah hasil akhir).

Tidak menghasilkan banyak energi Tidak menghasilkan banyak energi (hanya dihasilkan 2 ATP), tetapi dapat (hanya dihasilkan 2 ATP), tetapi dapat berlangsung sangat cepat dan tidak berlangsung sangat cepat dan tidak membutuhkan oksigen (anaerobik).membutuhkan oksigen (anaerobik).

GlikolisisGlikolisis

glukosa

glukosa 6-fosfat

fruktosa 6-fosfat

fruktosa 1,6-difosfat

ADP

ADPATP

ATP

fruktosa 1,6-difosfat

gliseraldehida 3-fosfat

Asam 1,3-difosfogliserat

2 NADH + 2 H+2 NAD+ + 2 P

2 ADP

2 ADP

2 ATP

2 ATP

Asam piruvat

Asam 3-fosfogliserat

Daur Krebs dan rangkaian transpor Daur Krebs dan rangkaian transpor elektron terjadi di dalam mitokondria elektron terjadi di dalam mitokondria

Respirasi sel dan MitokondriaRespirasi sel dan Mitokondria

sel

membran dalam

Membran luar

mitokondrion

glikolisis

Daur Krebs

membrane luar

membrandalam

Rangkaian transpor elektron

kompartemendalam

H2O

O2

H+e-

kompartemenluar

H+H+H+

H+H+H+

H+H+

Asam piruvat hasil glikolisis menuju ke Asam piruvat hasil glikolisis menuju ke mitokondria.mitokondria.

Berikatan dengan koenzim A membentuk Berikatan dengan koenzim A membentuk asetil koA, 1 molekul NADH, dan COasetil koA, 1 molekul NADH, dan CO22..

Daur Krebs terjadi di kompartemen dalam Daur Krebs terjadi di kompartemen dalam dari mitokondria.dari mitokondria.

Peralihan antara Glikolisis dan Daur Peralihan antara Glikolisis dan Daur KrebsKrebs

glikolisis

Asam piruvat

cytosol NAD+

koenzimA NADH Menuju ke

rangkaian transpor elektron

koA

CO2

Kompartemen dalam Daur Krebs

mitokondrion

asetll koenzim A

DaurKrebs

CoAasetil koenzim A

asam sitrat

CO2

NADHNAD+

asam oksaloasetat 1.

2.

3.

4.5.

6.

asam -ketoglutarat

CO2

NAD+

NAD+

asam malat

NADH

NADHFADH2 FAD+

asam suksinat

ATP

turunan asam -ketoglutarat

ADP

6 NADH2 FADH2

Rangkaian transpor elektron

CO2

2 ATP

GLYCOLYSISSUMMARY OF THE KREBS CYCLE

Asetil koA didegradasi sempurna menjadi Asetil koA didegradasi sempurna menjadi COCO22..

Hanya 1 ATP yang dihasilkan dari setiap Hanya 1 ATP yang dihasilkan dari setiap asetil koA yang memasuki Daur Krebs asetil koA yang memasuki Daur Krebs (total 2 ATP tiap glukosa).(total 2 ATP tiap glukosa).

Semua elektron dapat diikat dalam bentuk Semua elektron dapat diikat dalam bentuk 6 NADH (per glukosa) untuk diproses lebih 6 NADH (per glukosa) untuk diproses lebih lanjut melalui rangkaian transpor elektron. lanjut melalui rangkaian transpor elektron.

Ringkasan Daur KrebsRingkasan Daur Krebs

Elektron dibebaskan dari Elektron dibebaskan dari oksidasi nutrisi selama oksidasi nutrisi selama katabolisme.katabolisme.

Elektron dipindahkan oleh Elektron dipindahkan oleh pembawa elektron melalui suatu pembawa elektron melalui suatu proses untuk menghasilkan ATP.proses untuk menghasilkan ATP.

Katabolisme, Transfer Elektron dan Katabolisme, Transfer Elektron dan Reaksi Oksidasi ReduksiReaksi Oksidasi Reduksi

Oksidasi:Oksidasi: Pengambilan/pemindahan Pengambilan/pemindahan elektron dari suatu senyawa. elektron dari suatu senyawa.

Reduksi:Reduksi:Penambahan/pemberian elektron Penambahan/pemberian elektron kepada suatu senyawa. kepada suatu senyawa.

Oksidasi - ReduksiOksidasi - Reduksi

Dalam sel hidup, beragam molekul terlibat Dalam sel hidup, beragam molekul terlibat dalam proses transfer energi. Masing-dalam proses transfer energi. Masing-masing molekul memiliki kecenderungan masing molekul memiliki kecenderungan untuk mendapatkan atau kehilangan untuk mendapatkan atau kehilangan elektron.elektron.

Di dalam sel, proses oksidasi dan reduksi Di dalam sel, proses oksidasi dan reduksi tidak terjadi secara terpisah.tidak terjadi secara terpisah.

Proses oksidasi-reduksi yang terjadi Proses oksidasi-reduksi yang terjadi berpasangan disebut REAKSI REDOKS.berpasangan disebut REAKSI REDOKS.

OKSIDASI-REDUKSI DALAM SELOKSIDASI-REDUKSI DALAM SEL

Molekul yang memindahkan elektron Molekul yang memindahkan elektron selama proses oksidasi reduksi di selama proses oksidasi reduksi di dalam sel.dalam sel.

NADH, FADHNADH, FADH2 2 adalah molekul adalah molekul pembawa elektronpembawa elektron

PEMBAWA ELEKTRONPEMBAWA ELEKTRON

Di dalam sel, NAD terdapat dalam 2 Di dalam sel, NAD terdapat dalam 2 bentuk:bentuk:

Bentuk membawa elektron atau atom Bentuk membawa elektron atau atom hidrogen ( NADH) dan tanpa atom hidrogen ( NADH) dan tanpa atom hidrogen (NAD+).hidrogen (NAD+).

NADNAD++ berperan sebagai senyawa berperan sebagai senyawa pengoksidasi, bila menerima atom pengoksidasi, bila menerima atom hidrogen dan elektron, menjadi NADH.hidrogen dan elektron, menjadi NADH.

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) NAD (Nikotinamida Dinukleotida)

NADH dapat memindahkan NADH dapat memindahkan elektron ke molekul lain, dan elektron ke molekul lain, dan kembali menjadi NAD.kembali menjadi NAD.

Proses pemindahan ini Proses pemindahan ini dikendalikan/dilakukan oleh enzim.dikendalikan/dilakukan oleh enzim.

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) NAD (Nikotinamida Dinukleotida)

NAD+- -

NADH NAD+- -

kosong kosongterisi

NAD +

H

H

+

+

-

-

NAD

NAD

- -

-

-+ H

+ H+

+H

proton

teroksidasi

tereduksi

■ NADH memindahkan elektron ke NADH memindahkan elektron ke suatu rangkaian molekul yang suatu rangkaian molekul yang terdapat di membran dalam terdapat di membran dalam mitokondria.mitokondria.

■ Perpindahan elektron Perpindahan elektron mengakibatkan perpindahan ion Hmengakibatkan perpindahan ion H++ melawan gradien konsenrasi. melawan gradien konsenrasi.

Rangkaian Transpor ElektronRangkaian Transpor Elektron

■ Energi yang terbentuk pada saat Energi yang terbentuk pada saat masuknya kembali ion Hmasuknya kembali ion H++ ke dalam ke dalam mitokondria melalui ATP sintase, mitokondria melalui ATP sintase, digunakan untuk menggabungkan digunakan untuk menggabungkan fosfat dengan ADP untuk membentuk fosfat dengan ADP untuk membentuk ATP.ATP.

■ Dihasilkan ATP yang lebih banyak Dihasilkan ATP yang lebih banyak pada tahap ini (32 ATP per glukosa).pada tahap ini (32 ATP per glukosa).

Rangkaian Transpor ElektronRangkaian Transpor Elektron

■ Di akhir rangkaian Di akhir rangkaian OO2 2 + 2 electrons + 2 H+ 2 electrons + 2 H+ + = H= H22O.O.

■ Penyebab kebutuhan oksigen.Penyebab kebutuhan oksigen.

Rangkaian Transpor ElektronRangkaian Transpor Elektron

GLYCOLYSIS

ELECTRONTRANSPORTCHAIN

O2 H2O

32ATP

KREBSCYCLE

SINTESIS ATP

mitokondriamitokondria

inner compartment

outer compartment

inner membrane

Kompartemen bagian luar

innermembrane

NADH

RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON

ATP synthesis

ADP + P

ATP

NAD+

2 H+ + 1/2 O2

H2OKompartemen bagian dalam

H+H+

H+ H+

H+

H+H+

H+ H+

H+

H+H+

H+

H+ H+

H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

H+

H+

H+H+ H+H+

H+

H+

H+

H+

PROTEIN LEMAKKARBOHIDRAT

food

amino acids sugars glycerol fatty acids

GLIKOLISISglukosa

Asam piruvat

acetyl CoA

DAURKREB

NH3(ammonia)

RANGKAIANTRANSPOR ELEKTRON

Molekul Molekul lain yang lain yang digunakadigunakan pada n pada respirasirespirasi