1. Bagaimana sel memperoleh energi ?

2. Bagaimana sel mensintesis bahan baku makromolekulnya?

Proses berlangsung dalam jaringan reaksi-reaksi kimia yang terintegrasi, yaitu metabolisme.

Makhluk sederhana bersel tunggal seperti E. coli: ribuan rangkaian reaksi.

1. Designnya koheren, sederhana dan mengandung motif yang umum.

2. Jumlah reaksi cukup besar, tetapi jenis reaksi relatif kecil.

3. Mekanisme reaksi umumnya sederhana, misalnya pembentukan ikatan rangkap melalui reaksi dehydrasi.

4. Regulasi metabolisme umumnya memiliki sistem yang sama.

ENERGI DAN MASSA DALAM BIOSFER

Sistem adalah universe yang dibatasi dengan tegas. Sisa dari universe yang mengelilingi sistem disebut lingkungan (surroundings).

Hukum Thermodinamika I:

Jumlah energi suatu sistem dan lingkungannya adalah tetap (konstan).

E = EB - EA = Q - W (1)

EA = energi sistem saat proses dimulai dan EB energi sistem

saat proses berakhir. Q = panas yang diserap oleh sistem dan W = pekerjaan yang dilakukan oleh sistem.

Perubahan energi dalam sistem hanya tergantung pada status permulaan dan staus akhir dan tidak pada pada status transformasi.

Hukum thermodinamika I tidak dapat dipergunakan untuk memprediksi apakah reaksi akan berlangsung secara spontan. Beberapa reaksi terjadi secara spon-tan walaupun harga E positif. Pada beberapa kasus, sistem mengabsorbsi panas dari sekitarnya, jadi jumlah energi sistem dan lingkungannya akan tetap sama.

Fungsi yang lain dari energi sistem adalah entropy (S), yaitu ukuran terhadap tingkat acak atau tingkat ketidakteraturan suatu sistem. Entropy sistem meningkat (S = positif) bila sistem itu semakin tidak beraturan.

Hukum Thermodinamika II:

Proses dapat terjadi secara spontan apabila jumlah entropy sistem dan lingkungannya meningkat.

(Ssistem + Slingkungan) > 0 agar proses spontan (2)

Proses peningkatan entropy pada sistem: (A) diffusi panas (B) diffusi solute

Entropy sistem dapat menurun saat proses ber-langsung spontan dan menyebabkan entropy ling-kungan meningkat sehingga jumlahnya posisitf. Misalnya pembentukan struktur biologi yang amat teratur secara thermodinamika adalah mungkin ka-rena penurunan entropy pada suatu sistem meru-pakan permulaan peningkatan entropy lingkungan-nya. Namun sukar untuk menentukan apakah pro-ses biologi dapat berlangsung spontan, karena:

perubahan entropy reaksi-reaksi kimia sukar diukur, dan kriteria entropy yang diberikan oleh persamaan (2) yaitu perubahan entropy sistem dan perubahan entropy lingkungan, kedua-duanya harus diketahui.

Josiah Willard Gibbs menggabungkan Hukum Thermodinamika I dan II:

G = H - TS (3) G = perubahan energi bebas pada sistem yang sedang bertransformasi pada

tekanan P dan temperatur T; H = perubahan enthalpy dari sistem, dan S = perubahan entropy dari sistem. Terlihat bahwa pengaruh lingkungan tidak terlihat dalam persamaan ini. Perubahan enthalphy diketahui dari:

ΔH = E + PV (4)

Perubahan volume, ΔV, adalah sangat kecil untuk semua reaksi biokimia, sehingga H = E, maka:

G E - TS (5)

Jadi G dari reaksi tergantung kepada perubahan energi internal dan kepada perubahan entropy sistem.

Berbeda dengan perubahan energi internal (E), perubahan energi bebas (G) adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah reaksi dapat ber-langsung secara spontan atau tidak.

1. Reaksi berlangsung spontan hanya apabila G = negatif.

2. Sistem dalam equilibrium dan tak ada perubahan hanya bila G = nol.

3. Reaksi tak dapat berlangsung spontan apabila G = positif. Input energi bebas diperlukan untuk menggerakkan reaksi.

G reaksi hanya ditentukan oleh energi bebas dari produk (tahap akhir) dikurangi G reaktan (tahap awal). Dengan demikian G reaksi tidak dipengaruhi oleh energi selama proses transformasi. Mekanisme reaksi tidak berpengaruh terhadap G.

Misalnya:

G tidak memberikan informasi tentang kecepatan reaksi.

G untuk reaksi glucose menjadi CO2 dan H2O adalah sama bila dilakukan melalui pembakaran in vitro atau melalui langkah-langkah yang menggunakan katalisis banyak enzim di dalam sel.

Standar Perubahan Energi Bebas (Go)

A + B C + D

[C][D] G = Go + RT loge (6) [A][B]

Go = standar perubahan energi bebas, R = konstate gas dan T = temperatur mutlak.

Go; reaksi pada kondisi standar, dimana tiap-tiap reaktan A, B, C dan D ada-lah pada konsentrasi 1,0 M. Karenanya G reaksi tergantung pada kondisi ala-miah reaktan-reaktan (yang diperlihatkan oleh persamaan-6) dan oleh konsen-trasinya (yang diperlihatkan dalam loge pada persaaan-6).

Untuk memudahkan perhitungan standar energi, maka status standar didefeni-sikan pada pH = 7 dan konsekwensinya adalah bahwa aktivitas H+ pada pH = 7 adalah = 1 untuk persamaan-6 dan 9. Juga aktivitas air adalah = 1 pada persamaan-persamaan itu. Standar perubahan energi bebas pada pH = 7 di-nyatakan sebagai Go’, dan satuannya menggunakan kilocalorie.

Pada equilibrium G = 0, maka persamaan-6 menjadi:

[C][D]0 = Go’ + RTloge (7) [A][B]

[C][D]Go’ = - RTloge (8) [A][B]

Konstatnte equilibrium pada kondisi standar adalah: [C][D]K’eq = (9) [A][B]

Substitusikan persamaan-9 ke-8 maka diperoleh:

Go’ = - RT loge K’eq (10)

Go’ = - 2.303 RT log10 K’eq (11)

Persamaan-11 dapat diubah menjadi:

K’eq = 10 -Go’/(2.303 RT) (12)

Ganti R dengan 1.98 X 10-3 kcal mol-1 deg-1 dan T = 298oK (berhubungan de-ngan temperatur 25oC), maka diperoleh:

K’eq = 10 -Go’/1.36 (13)

Dengan demikian, standar energi bebas dan konstante equilibrium dari satu reaksi memiliki hubungan yang se-derhana. Misalnya konstante equilibrieum, K’eq = 10 ber-hubungan dengan standar perubahan energi bebas, Go’ = -1.36 kcal/mol pada temperatur 25oC.

Go’ dan G untuk reaksi isomerasi dihidroxyacetone phosphate menjadi glyceraldehyde 3-phosphate:

Pada equilibrium, perbandingan glyceraldehyde 3-phos-phate terhadap dehydroxyacetone phosphate = 0,0475 pada 25oC (298oK) pada pH = 7.

= - 2.303 RT log10K’eq

= - 2.303 X 1.98 X 10-3 X 298 X log10 (0,0475)

= + 1.8 kcal/mol

Go’

Persamaan-11:

Konsentrasi awal:

dihydroxyacetone phosphate = 2 X 10 -4 M

glyceraldehyde 3-phosphate = 3 X 10 -6 M

Dengan menggunakan persamaan-6, perubahan energi bebas (G) reaksi da-pat dihitung:

3 X 10-6 MG = 1.8 kcal/mol + 2.303 RT log10 2 X 10-4 M

= 1.8 kcal/mol - 2.5 kcal/mol

= -0,7 kcal/mol

Nilai G yang negatif menujukkan bahwa isomerasi dihydroxyacetone phos-phate menjadi glyceraldehyde 3-phosphate dapat berlangsung secara spontan apabila kedua senyawa tersebut berada dalam konsentrasi seperti yang dise-butkan diatas.

G dalam reaksi ini adalah negatif walaupun Go’ adalah positif.

Mempengaruhi Kemampuan BereaksiKeseluruhan perubahan energi bebas untuk serangkaian reaksi adalah sama dengan jumlah perubahan energi bebas dari masing-masing langkah reaksi.

A B + CB D

A C + D

Go’ = +5 kcal/molGo’ = -8 kcal/mol

Go’ = -3 kcal/mol

Pada kondisi standar, A secara spontan tidak dapat dikonversi menjadi B dan C karena G nya adalah positif. Namun konversi B menjadi D pada kondisi standar secara thermodinamik, adalah mungkin.

Karena perubahan energi bebas merupakan penambahan, konversi A menjadi C dan D memiliki Go’ = -3 kcal/mol, yang berarti bahwa konversi itu dapat ber-langsung spontan pada kondisi standar.

Suatu reaksi yang secara thermodinamik tidak mungkin berlangsung akan di-mungkinkan berlangsung oleh bantuan reaksi lain yang secara thermodinamik mungkin berlangsung.

Dalam contoh ini kelangsungan reaksi dibantu oleh B, suatu intermediat dalam rangkaian reaksi umumnya.

UNIVERSAL ENERGI BEBASMakhluk chemotroph memperoleh energi dari ok-sidasi bahan makanan.

Makhluk phototroph memperoleh energi dari si-nar matahari.

Energi bebas yang diperoleh dari oksidasi ma-kanan maupun dari sinar matahari sebagian di-transformasi ke bentuk khusus sebelum digu-nakan untuk bergerak, transport aktif dan bio-sintesis.

Adenosine triphosphate (ATP) adalah carrier khusus untuk energi bebas. Un-tuk aktif ATP membutuhkan Mg++ atau Mn--. ATP merupakan molekul berenergi tinggi karena unit triphosphatenya mengandung dua ikatan anhydrid phos-phate. Sejumlah besar energi dibebaskan apabila ATP dihidrolisis menjadi ADP dan orthophosphate (Pi), atau ketika ATP dihidrolisis menjadi AMP dan pyrophosphate (PPi).

Go’ reaksi hidrolisis ATP tergantung kekuatan ionik medium dan konsentrasi Mg++ dan Ca++. Biasa digunakan harga -7,3 kcal/mol. Pada kondisi sellular yang khusus harga G untuk hidrolisis ini dapat mencapai -12 kcal/mol.

ATP + H2O ADP + Pi + H+

ATP + H2O AMP + PPi + H+

Go’ = -7,3 kcal/mol

Go’ = -7,3 kcal/mol

ATP, AMP dan AMP dapat saling berinterkonversi. Reaksi dikatalisis oleh enzim adenylate kinase (myokinase):

ATP + AMP ADP + ADP

Beberapa reaksi biosintesis menggunakan nucleotida yang analog dengan ATP, mislnya guanosine triphosphate (GTP), uridine triphosphate (UTP), dan cytidine triphosphate (CTP). Bentuk-bentuk diphosphatenya adalah GDP, UDP dan CDP.

Oleh bantuan enzim, gugus phosphoryl pada terminal suatu nucleotida dapat berpindah ke nucleotida yang lain.

ATP + GDP ADP + GTP

ATP + GMP ADP + GDP

ATP terus menerus dibentuk dan dikonsumsi

ATP merupakan donor energi yang bersifat segera dibandingkan sebagai ca-dangan energi bebas. Pada suatu sel, molekul ATP dikonsumsi hanya dalam satu menit, kemudian diikuti oleh pembentukannya yang baru. Dengan demi-kian turn-over nya sangat tinggi.

Misalnya, pada orang yang sedang istirahat, konsumsi ATP sekitar 40 kg/ 24 jam. Pada saat bekerja, kecepatan penggunaan ATP dapat mencapai 0,5 kg/ menit. Pergerakan, transport aktif, amplikasi signal dan biosintesis hanya dapat berlangsung apabila ATP secara terus menerus dibentuk dari ADP.

NAD+ dan NADP+

NAD+ R = H NADP+ R = PO3

--

Walaupun O2 adalah acceptor (penerima) electron, na-mun electron dan produk oksidasi tidak langsung di-berikan kepada O2. Bentuk reduksi dari nicotineamide adenine dinucleotide (NADH), flavin adenine dinucleo-tide (FADH2) dan nicotineamide dinucleotide phos-phate (NADPH) adalah electron carrier dan yang men-transfer electron ke O2 melalui sistem transport elec-tron yang terdapat di inner-membran mitochondria.Sebagai akibat dari arus perpindahan electron ter-sebut, maka ATP terbentuk dari ADP dan Pi. Proses pembentukan ATP ini disebut posporilasi oksidatif.

Bentuk oksidasi dari NADH adalah NAD+ yang dalam kebanyakan reaksi oksidasi bertindak sebagai pene-rima electron. Dalam reaksi oksidasi suatu substrat, NAD+ menerima satu H+ dan dua electron yang setara dengan satu ion hydrida.

NAD+ merupakan penerima electron dari reaksi-reaksi jenis:

Proses ini adalah dehydrogenasi dimana satu atom H dari molekul subsrat langsung ditransfer ke NAD+, dan yang lainnya berada di dalam larutan. Kedua electron yang bebas dari substrat ditransfer ke cincin nicotineamide.

FAD merupakan penerima electron dari reaksi-reaksi jenis:

FAD

Bagian yang reaktif dari FAD adalah cincin iso-aloxazine. Berbeda dengan NAD+, FAD meneri-ma kedua atom H yang dibebaskan substrat, dan FAD juga penerima 2 electron.

NADPH Electron Donor

Pada biosintesis, umumnya bentuk precursor lebih teroksidasi dibandingkan dengan pro-duknya. Oleh karena itu, dalam reaksi biosin-tesis, selain ATP juga dibutuhkan reduktor.

Misalnya biosintesis asam lemak. Gugus keto dari unit C2 tambahan direduksi dalam bebe-rapa langkah menjadi gugus methylene. Rang-kaian reaksi ini membutuhkan 4 electron.

Nicotineamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) pembawa electron yang sama de-ngan NADH. Peran NADPH lebih banyak seba-gai reduktor dalam proses biosintesis, se-dangkan NADH lebih berperan dalam pem-bentukan ATP.

R = PO3--

NADP+

Coenzyme A: carrier gugus acylLipmann (1945) menemukan cofactor yang diperlukan untuk proses asetilasi yang dikatalisis enzim. Cofactor ini dinamakan Coenzyme A (CoA, A = asetilasi).

Tempat yang reaktif adalah gugus sulfhydriyl. Gugus acyl berikatan dengan CoA melalui ikatan ester, dan hasilnya disebut acyl CoA. Gugus acyl yang sering berikatan dengan CoA adalah unit acetyl dan derivatnya disebut acetyl CoA. Go’ untuk hidolisis acetyl CoA adalah besar dan negatif:

Acetyl CoA + H2O acetate + CoA + H+ Go’ = -7.5 kacal/mol

Acetyl CoA memiliki potensi tinggi untuk mentransfer gugus acetyl . Dengan perkataan lain, Coenzyme A adalah carrier untuk acetyl aktif atau gugus acyl lainnya yang telah diaktifkan. Sama halnya dengan ATP yang merupakan carrier gugus posporil yang aktif.

Komponen COENZYMEVitamin-vitamin yang larut dalam air (B complex) banyak menjadi komponen coenzyme. Misalnya riboflavin (vit.B2) adalah precursor untuk FAD, dan pantothenate adalah komponen Coenzyme A.

Vitamin-vitamin Larut dalam Lemak

Sebagai salah satu faktor pembekuan darah. Karboksilasi gugus glutamate menjadi -carboxyglutamate.

Vitamin A (retinol) adalah precursor untuk retinal, gugus-gugus penyerap rangsangan cahaya pada pigmen-pigmen penglihatan. Defisiensi vitamin A dapat menyebabkan rabun senja. Infant juga membutuhkan vitamin A untuk pertumbuhan.

Metabolisme Ca dan P dikontrol oleh hormon yang merupakan derivat dari vi-tamin D. Defesiensi vitamin D dapat mempengaruhi pertumbuhan tulang pada infant dan remaja.

Vitamin E memproteksi membran lemak tak jenuh dari oksidasi. Defisiensi vitamin E dapat menimbulkan gangguan fertilitas.

TAHAP-TAHAP EXTRAKSI ENERGI1. Pertama, molekul makanan yang besar dipecahkan menjadi unit-unit kecil.

Protein dihidrolisis menjadi asam amino, polysaccharida menjadi glucose atau gula sederhana, dan lemak dihidrolisis menjad glycerol dan asam-asam lemak.

2. Kedua, molekul-molekul yang kecil ini mengalami degradasi menjadi unit-unit sederhana yang berperan sentral dalam metabolisme. Glu-cose, asam lemak, glycerol dan asam-asam amino dikonversi men-jadi unit acetyl dari acetyl CoA.

3. Ketiga, terdiri atas siklus asam si-trat dan oksidasi posporilasi. Ace-tyl CoA membawa unit-unit acetyl ke dalam siklus asam sitrat dima-na mereka akan dioksidasi men-jadi CO2. Empat pasang electron ditransfer ke NAD+ dan FAD untuk setiap unit acetyl yang dioksidasi.