Bab 02OKSIDASI BIOLOGI & BIOENERGETIKAOleh : Sri Anggarini Rasyid

*

Oksidasi BiologiReaksi Oksidasi dapat didefinisikan sebagai peristiwa kehilangan elektron atau kehilangan hidrogen, sehingga disebut juga reaksi dehidrogenasi. Bila suatu senyawa dioksidasi maka harus ada senyawa lain yang direduksi, yaitu akan memperoleh elektron atau memperoleh hidrogen.Didalam sistem biologis sel makhluk hidup, reaksi oksidasi reduksi berperan dalam reaksi-reaksi yang menghasilkan energi. Contohnya : pada oksidasi glukosa menjadi CO2, air dan energi.Proses oksidasi reduksi ini dapat berlangsung secara anaerob maupun aerob. Pada keadaan anaerob, reaksi berlangsung tanpa adanya oksigen sebagai penerima akhir elektron atau hidrogen. Contohnya adalah proses peragian karbohidrat oleh sel ragi. Karbohidrat seperti pati, glukosa, sukrosa, dll. Dapat diuraikan oleh enzim-enzim yang terdapat di dalam ragi menjadi CO2 dan etanol. Pada keadaan aerob, reaksi berlangsung dengan menggunakan oksigen sebagai penerima akhir elektron atau hidrogen. Keadaan ini dapat ditemukan pada berbagai sel hidup dalam lingkungan yang cukup oksigen. Hasil akhir oksidasi aerob adalah CO2 dan air.

*

Dari uraian tersebut, tampak bahwa baik pada keadaan aerob maupun anaerob, oksidasi selalu menghasilkan CO2. Perbedaan hanya pada terbentuknya air (pada oksidasi aerob) atau etanol (anaerob). Dari fakta ini dapat disimpulkan bahwa oksidasi aerob merupakan oksidasi lengkap, sedangkanoksidasi anaerob adalah oksidasi yang tidak lengkap. Hal ini dapat dipahami karena air tidak dapat dioksidasi lagi, sedangkan etanol masih dapat dioksidasi lebih lanjut.Tujuan oksidasi dalam sistem biologis, khususnya oksidasi bahan makanan, terutama ialah untuk memperoleh energi, maka energi yang diperoleh dari oksidasi anaerob jelas lebih sedikit.

*

Oksidasi Biologi, berbeda dengan oksidasi yang terjadi dalam sistem bukan biologi, tidak berlangsung secara sekaligus tanpa kendali, tetapi secara bertahap. Untuk itu diperlukan sejumlah enzim yang bekerja sama dalam memindahkan elektron atau hidrogen. Umumnya dalam sistem biologis seperti sel, oksidasi dimulai dengan proses dehidrogenasi, yaitu pelepasan hidrogen atau elektron dari substrat yang diolah.

*

Proses oksidasi biologi banyak pula yang menghasilkan peroksida, yang berbahaya bagi sel sendiri. Untuk itu, sel biasanya dilengkapi dengan sistem penangkal. Sistem penangkal yang terdapat didalm sel terdiri dari enzim-enzim yang dapat memecah peroksida seperti katalase, peroksidase. Selain itu terdapat juga vitamin yang berperan sebagai antioksidan yaitu vitamin C, Vitamin E dan -karoten.Enzim Hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap kerusakan akibat radikal bebas dan enzim-enzim oksigenase memperantarai reaksi hidroksilasi obat serta steroid.

*

Enzim yang terlibat dalam proses oksidasi reduksi dinamakan oksidoreduktase. Enzim oksidoreduktase ini diklasifikasikan kedalam 4 kelompok, yaitu :Enzim oksidase & dehidrogenase memiliki berbagai peran dalam metabolisme, tetapi peran utamanya terletak pada proses pernafasan.Enzim oksidase mengkatalisis pengeluaran hidrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogennya. Enzim tersebut membentuk air atau hidrogen peroksida sebagai produk reaksi.Dehidrogenase tidak dapat menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Dalam enzim ini, memiliki 2 fungsi utama, yaitu:Sebagai pemindah hidrogen dari substrat yang satu kepada substrat yang lain dalam reaksi oksidasi reduksi berpasangan.Sebagai komponen dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.Enzim Hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap kerusakan akibat radikal bebas dan enzim-enzim oksigenase memperantarai reaksi hidroksilasi obat serta steroid.Toksisitas oksigen dapat disebabkan oleh radikal bebas superoksidasi jaringan tubuh dilindungi terhadap superoksida oleh enzim superoksida dismutase spesifik.

*

Gambar. Pertahanan enzimatik terhadap cedera radikal bebas. Aktivitas enzim penyapu antioksidan tertinggi dijumpai di hati, kelenjar adrenal dan ginjal.

*

BIOENERGETIKABioenergetika atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain tidak. Sejumlah sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk melaksanakan kerjanya, namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen

*

Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel. Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.

*

Hukum TermodinamikaOrganisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk berbagai tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik maupun kimia. Dalam banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan sangat efisien menjadi bentuk yang berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya diubah menjadi energi ikatan kimia. Dalam mitokondria, energi bebas yang terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah mnjadi suatu alat tukar energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Energi ikatan kimia yang terkandung dalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksi otot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP juga digunakan untuk berbagai aktivitas sel lainnya.

*

Bioenergetika atau thermodinamika biokimia menerangkan berbagai macam perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi bebas adalah bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat, difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua. Hukum thermodinamika pertama menyatakan jumlah energi dalam suatu sistem dan lingkungannya adalah tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung spontan hanya bila jumlah entropi (tingkat kekacauan) suatu sistem dan lingkungannya bertambah. Suatu masalah dalam menggunakan entropi sebagai kriteria apakah suatu reaksi kimia dapat berjalan spontan, ialah bahwa perubahan entropi reaksi kimia tidak dapat diukur secara langsung.

*

Kesukaran ini diatasi dengan menggunakan fungsi thermodinamika lain yang disebut energi bebas (G) dengan persamaan : G = H - TS . G adalah perubahan energi bebas suatu sistem yang mengalami perubahan pada suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap. H adalah perubahan entalpi (kandungan panas) sistem dan S perubahan entropinya. Perubahan entalpi dinyatakan sebagai : H = E PV, karena perubahan volume, V dalam reaksi biokimia kecil sehingga H hampir sama dengan E, maka : G = E - TS .

*

Berlawanan dengan perubahan energi dalam sistem (E ), perubahan energi bebas (G ) suatu reaksi adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah reaksi tersebut dapat berlangsung dengan spontan. Suatu reaksi dapat berlangsung spontan hanya bila G negatif. Bila G nol, sistem berada dalam keseimbangan dan bila positif, diperlukan masukan energi bebas untuk menggerakkan reaksi tersebut.

*

Go merupakan perubahan energi bebas yang baku (standar). Untuk reaksi Biokimia, keadaan baku diartikan sebagai keadaan dengan pH : 7,0.Perubahan energi bebas baku dapat dihutung dari konstanta keseimbangan (Keq): Go = -2,303 RT Log Keq R : Konstanta Gas (1,987 Kal/mol.K)T : Suhu absolutG > Go Tergantung pada konsentrasi berbagai reaktan G < Go termasuk pelarut (solven), ion & Proton G = Go + 2,303 RT Log KeqReaksi : A + B C + D atau aA + bB cC + dDJadi :

Nilai Energi bebas baku reaksi reaksi kimia dapat dijumlahkanA B Go1B C Go2 Jadi Go1 + Go2 = Gos [C] [D][A]a [B]bKeq =atauKeq =[A] [B][C]c [D]dA C ; Gos

*

ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik Proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas (eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam proses anabolisme. Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut. Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi tinggi yang utama adalah ATP .

*

Transformasi Energi

*

Siklus ATP - ADPPernafasan :Pembentukan EnergiKarbohidratProteinLemakPenggunaan Energi :Biosintesis makromolekulKontraksi OtotTransport Ion AktifTermogenesisATPADP + PiCO2O2

*

SUMBER FOSFAT BERENERGIFOSFORILASI OKSIDATIF MERUPAKANSUMBER ~P YANG PALING BESAR PADAORGANISME AEROBIK. ENERGI BEBAS PADAPROSES INI BERASAL DARI RESPIRATORYCHAIN INTRA MITOKONDRIAL DENGANMEMAKAI OKSIGEN.GLIKOLISIS ANAEROBIK MENGHASILKAN 2 ~PDARI REAKSI YG DIKATALISA OLEH ENZIMFOSFOGLISERAT KINASE & PIRUVAT KINASE.SIKLUS ASAM SITRAT MENGHASILKAN 1 ~PPADA REAKSI YANG DIKATALISA OLEH ENZIMSUKSINIL TIOKINASE.

*

ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan trifosfat . Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Sebagai pengemban energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (G = + 13,8 kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (G = - 30,5 kj/mol ) sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan mudah dan sangat eksergonik (G = - 16,7 kj/mol ).

*

Konversi antar ATP, AMP dan ADP adalah mungkin. Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ADP + ADP. Reaksi ini mempunyai fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDP ADP + GTP dan ATP + GMP ADP + GDP.

*

Ada tiga sumber utama ~ P yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua ~ P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A menjadi suksinat.Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein pembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa dan 5.fosforibosil.1.pirofosfat.

*

Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi. Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1, 3 bifosfogliserat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa tersebut dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Potensial transfer fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting secara biologis seperti glukosa 1 fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol 3 fosfat lebih rendah dari ATP. Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul terfosforilasi tersebut, memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil. ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P dan menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi.

*

ATP (Adenin Trifosfat)ATP merupakan rantai kimia utama diantara aktivitas sel penghasil energi & aktivitas sel yang membutuhkan energi.ATP memiliki beberapa peranan, antara lain :Sebagai senyawa antara utama yang menghubungkan reaksi kima penghasil energi & reaksi yang membutuhkan energiSebagai pembawa energi kimia dari proses-proses penghasil energi menuju aktivitas sel dasar yang memerlukan energi

*

Struktur ATPAdenin

*

Lintasan KatabolikMelalui kerja beberapa lintasan katabolik, karbohidrat, lipid & asam amino dioksidasi menjadi CO2 & H20, dan energi bebas yang dilepaskan dlm proses ini digunakan untuk melakukan fosforilasi ADP menjadi ATPFosforilasi oksidatif merupakan gabungan proses transpor elektron dan sintesis ATP.

*

*

*

Definisi UmumMetabolisme adalah perubahan suatu senyawa atau molekul untuk memperoleh energi untuk pembentukan molekul-molekul penyusunan sel.Metabolisme adalah proses perubahan kimia melalui saluran-saluran untuk degradasi makanan dalam rangka menghasilkan energi & biosintesis untuk pembentukan molekul-molekul pembangun.Metabolisme KatabolismeAnabolisme

*

Katabolisme merupakan fase metabolisme yang bersifat menguraikan (perubahan molekul besar menjadi molekul kecil).Anabolisme, lazim disebut sebagai biosintesis (pembentukan molekul besar dari molekul kecil)Poses metabolisme bersifat intermediat, yaitu karena adanya perubahan satu zat menjadi zat lainnya yang biasanya menyangkut tahapan-tahapan berurutan yang zat-zat kimianya jelas dan dapat dikenal.

*

Beberapa Istilah dari MetabolismeGlikolisis yaitu oksidasi glukosa atau glikogen menjadi asam piruvat atau asam laktat melalui jalur Embden Meyer Hoff (EMP).Glikogenesis yaitu sintesis glikogen dari glukosa.Glikogenolisis yaitu pemecahan glikogen menjadi glukosa sebagai hasil akhir dalam hati serta piruvat & laktat sebagai hasil akhir dalam otot.Glikogenolisis Glikogen GlukosaDidalam HatiPiruvat & As.LaktatDalam Otot

*

Glikoneogenesis yaitu pembentukan glukosa atau glikogen yang sumbernya bukan dari karbohidrat tetapi berasal dari asam-asam amino, gliserol, & Asam propionat untuk hewan memamah biak.

*

*

Daur Kreb (TCA)

*

Jadi reaksi keseluruhan untuk satu putaran siklus asam sitrat adalah :

Asetil KoA 2CO23NAD+1FAD3NADH+3H+1FADH2GDP+ PiGTPKoA

*

Katabolisme Asam LemakLintasan utama katabolisme asam lemak, yaitu -oksidasi. Enzim-enzim lintasan -oksidasi yang mengkatalisis serangkaian reaksi, dimana unit 2-karbon dibuang dari ujung karboksil dari rantai as.lemak yang diaktifkan & dikeluarkan sebagai asetil-koABerapakah jumlah reaksi yang dibutuhkan untuk menghidrolisis asam palmitat menjadi asetil Co A semua?

*

Asil-KoA R-CH2-CH2-CH2-C KoA4 3 2 1 H R-CH2-C=C- C KoA H O H R-CH2-C-CH2- C KoA OH OFADH2H2ONADH + H+NAD+R-CH2-C-CH2- C KoA O OCH3-C KoA O KoA2 1R-CH2-C KoA OAsetil - KoA4 3KATABOLISME ASAM LEMAKLintasan utama katabolisme asam lemak, yaitu -oksidasi. Enzim-enzim lintasan -oksidasi yang mengkatalisis serangkaian reaksi dimana unit 2-karbon dibuang dari ujung karboksil dari rantai asam lemak yang diaktifkan dan dikeluarkan sebagai asetil-Ko A.

*

Step 1 : dehidrogenasi / oksidasiBerperan pada pembentukan rantai ganda antara atom C2 C3. Mempunyai akseptor hidrogen FAD+. Antara asam lemak yg berbeda panjangnya beda enzimnya,

*

Step2 : HidratasiMengkatalisis hidrasi trans enoyl CoAPenambahan gugus hidroksi pada C no. 3Ensim bersifat stereospesifikMenghasilkan 3-L-hidroksiasil Co. A

*

Step 3 : dehidrogenasiMengkatalisis oksidasi -OH pada C no. 3 / C menjadi keton

Akseptor elektronnya : NAD+

*

Step 4 : thiolisis-Ketothiolase mengkatalisis pemecahan ikatan thioester. Acetyl-CoA dilepas dan tersisa asam lemak asil ko A yang terhubung dgn thio sistein mll ikatan tioester.Tiol HSCoA menggantikan cysteine thiol, menghasilkan fatty acyl-CoA (yang telah berkurang 2 C).

*

Jadi reaksi keseluruhan yang diperantarai oleh lintasan -oksidasi adalah :

Asam asil KoA (n-karbon) As.Asil KoA (n-2karbon)KoAAsetil KoANAD+FADNADH+H+FADH2

*

Katabolisme Asam Amino-OOC-CH-NH3+ R (Rumus umum Asam Amino)

Protein hewani/nabati

Sintesis Protein dalam tubuhKelebihan Asam AminoMasuk ke tubuhdihidrolisisAsam-asam Amino dikatabolismeDiubah ke btk Asam Amino lain

*

Asam amino mengalami proses katabolisme, bila :Konsumsi asam amino oleh tubuh berlebihPada kondisi kekurangan karbohidrat & lemak sehingga as.amino yang dijadikan sebagai penghasil energiAsam amino tidak dapat disimpan oleh tubuh (sbg cadangan as.amino)Asam Amino Esensial & Non esensial

*

Di alam ada 20 macam asam amino :Ala s/d Val bersifat Hidrofobik,sisanya HidrofilikAla ( ALANIN )Ile ( ISOLEUSIN )Leu ( LEUSIN )Met ( METIONIN )Phe ( FENIL ALANIN )Pro ( PROLIN )Trp ( TRIPTOFAN )Tyr ( TIROSIN )Val ( VALIN )Arg ( ARGININ )Asn ( ASPARAGIN )Asp ( ASAM ASPARTAT )Cys ( CISTEIN )Glu ( ASAM GLUTAMAT )Gln ( GLUTAMIN )Gly ( GLISIN )His ( HISTIDIN )Lys ( LISIN )Ser ( SERIN )Thr ( TREONIN )Aa. Esensial :Aa. Non Esensial :

*

Protein Asam amino Piruvat

Tahapan proses katabolisme as.amino :Transaminasi (pemindahan ggs amino)Deaminasi oksidatif (penghilangan ggs amino)Transport amoniaSiklus urea

Asetil KoASiklus TCAERantai CNH3N2NO3-Urea

*****************************************