1.3 Physical FoundationsSel hidup dan organisme harus melakukan pekerjaan untuk tetap hidup dan memperbanyak diri. Reaksi sintetik yang terjadi dalam sel, seperti proses sintetis di pabrik yang memerlukan masukan energi. Energi juga dikonsumsi dalam gerakan bakteri atau seorang pelari olimpiade, dalam berkedip dari kunang-kunang atau debit listrik dari belut. Dan penyimpanan dan ekspresi informasi membutuhkan energi, tanpa struktur yang kaya akan informasi pasti menjadi teratur dan tak berarti.

Dalam perjalanan evolusi, sel-sel telah mengembangkan mekanisme yang sangat efisien untuk kopling energi yang diperoleh dari sinar matahari atau bahan bakar untuk banyak proses mengkonsumsi energi mereka harus melaksanakan. Salah satu tujuan dari biokimia adalah untuk memahami, secara kuantitatif dan kimia, cara-cara dimana energi diekstrak, disalurkan, dan dikonsumsi dalam sel-sel hidup. Kita dapat mempertimbangkan konversi energi sel - seperti semua konversi energi lainnya - dalam konteks hukum termodinamika.Living Organisms Exist in a Dynamic Steady State, Never at Equilibrium with Their SurroundingsMolekul-molekul dan ion yang terkandung dalam organisme hidup berbeda dalam jenis dan konsentrasi dari orang-orang di lingkungan organisme. Sebuah Paramecium di kolam, hiu di laut, sebuah eritrosit dalam aliran darah manusia, pohon apel di kebun-semua berbeda dalam komposisi dari lingkungan mereka dan, setelah mereka telah mencapai kematangan, semua (untuk pendekatan pertama) mempertahankan komposisi konstan dalam menghadapi lingkungan yang terus berubah.

Meskipun komposisi karakteristik suatu organisme berubah sedikit dari waktu ke waktu, populasi molekul dalam organisme masih jauh dari statis. Molekul kecil, makromolekul, dan kompleks supramolekul terus disintesis dan kemudian dipecah dalam reaksi kimia yang melibatkan fluks konstan massa dan energi melalui sistem. Molekul-molekul hemoglobin membawa oksigen dari paru-paru ke otak anda saat ini disintesis dalam bulan terakhir; bulan depan mereka akan mengalami degradasi dan sepenuhnya digantikan oleh molekul hemoglobin baru. Glukosa anda tertelan dengan makanan terbaru anda sekarang beredar dalam aliran darah anda; sebelum hari berakhir molekul glukosa tertentu ini akan telah dikonversi menjadi sesuatu yang lain - karbon dioksida atau lemak, mungkin - dan akan telah diganti dengan pasokan segar glukosa, sehingga konsentrasi glukosa darah anda lebih atau kurang konstan sepanjang hari. Jumlah hemoglobin dan glukosa dalam darah tetap hampir konstan karena tingkat sintesis atau asupan masing-masing hanya menyeimbangkan tingkat kerusakannya, pemakaian, atau perubahan ke dalam beberapa produk lainnya. Kekonstanan konsentrasi adalah hasil dari kondisi tetap dinamis (dynamic steady state), kondisi mapan yang jauh dari keseimbangan. Menjaga kondisi mapan ini memerlukan investasi konstan energi; ketika sel tidak bisa lagi menghasilkan energi, mati dan mulai membusuk menuju keseimbangan dengan lingkungannya. Kami menganggap bawah ini persis apa yang dimaksud dengan "kondisi mapan" (steady state) dan "keseimbangan."Organisms Transform Energy and Matter from Their Surroundings (Organisme Transform Energi dan Materi dari Sekeliling Mereka)Untuk reaksi kimia yang terjadi dalam larutan, kita dapat mendefinisikan sistem karena semua reaktan dan produk saat ini, pelarut yang berisi mereka, dan suasana langsung - singkatnya, segala sesuatu dalam wilayah didefinisikan ruang. Sistem dan sekitarnya bersama-sama membentuk alam semesta. Jika tidak terjadi pertukaran materi dan energy dalam system dengan lingkungannya disebut system terisolasi. Jika terjadi pertukaran system (energy) tetapi tidak terjadi pertukaran materi dengan lingkungannya disebut system tertutup, jika terjadi pertukaran baik energi dan materi dengan lingkungannya, itu adalah sistem terbuka.Organisme hidup adalah sistem terbuka; menukar kedua materi dan energi dengan lingkungannya. Organisme hidup memperoleh energi dari lingkungan mereka dalam dua cara: (1) mereka mengambil bahan bakar kimia (seperti glukosa) dari lingkungan dan mengekstrak energi dengan mengoksidasi mereka (lihat Kotak 1-3, Kasus 2); atau (2) mereka menyerap energi dari sinar matahari.Hukum pertama termodinamika, yang dikembangkan dari ilmu fisika dan kimia tetapi sepenuhnya berlaku untuk sistem biologis juga, menjelaskan prinsip konservasi energi: dalam perubahan fisik atau kimia, jumlah total energi di alam semesta tetap konstan, meskipun bentuk energi dapat berubah. Sel adalah transduser sempurna energi, mampu interconverting kimia, elektromagnetik, mekanik, dan energi osmotik dengan efisiensi yang besar (Gambar. 1-24).The Flow of Electrons Provides Energy for Organisms (Aliran Elektron Menyediakan Energi untuk Organisme)Hampir semua organisme hidup memperoleh energi mereka, langsung atau tidak langsung, dari energi radiasi sinar matahari, yang muncul dari reaksi fusi termonuklir yang dilakukan di bawah sinar matahari. Sel fotosintesis menyerap energi cahaya dan menggunakannya untuk mendorong elektron dari air untuk karbon dioksida, membentuk produk yang kaya energi seperti glukosa (C6H12O6), pati, dan sukrosa dan melepaskan O2 ke atmosfer:cahaya reduksi didorong CO2Sel nonfotosintetik dan organisme mendapatkan energi yang mereka butuhkan dengan mengoksidasi energi - produk kaya fotosintesis dan kemudian melewati elektron untuk atmosfer O2 untuk membentuk air, karbon dioksida, dan produk akhir lainnya, yang didaur ulang dalam lingkungan:

energi - menghasilkan oksidasi glukosa

Gambar 1.24 Beberapa interkonversi energi dalam organisme hidup. Selama transductions energi metabolik, keacakan sistem ditambah lingkungan (dinyatakan secara kuantitatif sebagai entropi) meningkat karena energi potensial molekul nutrisi kompleks menurun. (a) Organisme mengekstrak energi dari lingkungan mereka; (b) mengubah beberapa menjadi bentuk yang berguna energi untuk menghasilkan karya; (c) mengembalikan beberapa energi ke lingkungan sebagai panas; dan (d) pelepasan akhir - molekul produk yang kurang terorganisasi dengan baik dari bahan bakar mulai, meningkatkan entropi alam semesta. Salah satu dampak dari semua transformasi ini adalah (e) peningkatan order (penurunan keacakan) dalam sistem dalam bentuk makromolekul kompleks. Kami kembali ke perawatan kuantitatif entropi pada Bab 13.Hampir semua transduksi energi dalam sel dapat ditelusuri aliran ini elektron dari satu molekul ke yang lain, dalam "downhill" aliran dari yang lebih tinggi untuk menurunkan potensi elektrokimia; dengan demikian, ini secara resmi analog dengan aliran elektron dalam baterai - rangkaian listrik digerakkan. Semua reaksi ini melibatkan aliran elektron yaitu reaksi oksidasi reduksi: satu reaktan teroksidasi (kehilangan elektron) dengan yang lain tereduksi (kenaikan elektron).Creating and Maintaining Order Requires Work and Energy (Menciptakan dan Mempertahankan Orde Memerlukan Kerja dan Energi)

DNA, RNA, dan protein adalah informasi makromolekul. Selain menggunakan energi kimia untuk membentuk ikatan kovalen antara subunit pada polimer ini, sel harus menginvestasikan energi untuk memesan subunit dalam urutan yang benar. Hal ini sangat mungkin bahwa asam amino dalam campuran secara spontan akan mengembun menjadi satu jenis protein, dengan urutan yang unik. Hal ini akan mewakili urutan meningkat pada populasi molekul; tetapi menurut hukum kedua termodinamika, kecenderungan di alam adalah menuju gangguan semakin besar di alam semesta: total entropi alam semesta terus meningkat. Untuk mewujudkan sintesis makromolekul dari unit monomer mereka, energi bebas harus diberikan ke sistem (dalam hal ini, sel). Keacakan atau gangguan dari komponen sistem kimia dinyatakan sebagai entropi, S (Kotak 1-3). Setiap perubahan dalam keacakan sistem dinyatakan sebagai perubahan entropi, S, yang dengan konvensi memiliki nilai positif ketika keacakan meningkat.

J. Willard Gibbs, yang mengembangkan teori perubahan energi selama reaksi kimia, menunjukkan bahwa kandungan energi bebas, G, dari setiap sistem tertutup dapat didefinisikan dalam tiga kuantitas: entalpi, H, mencerminkan jumlah dan jenis obligasi; entropi, S, dan suhu mutlak, T (dalam derajat Kelvin). Definisi energi bebas adalah G= H- TS. Ketika reaksi kimia terjadi pada suhu konstan, perubahan energi bebas, G, ditentukan oleh perubahan entalpi, H, yang mencerminkan jenis dan jumlah ikatan kimia dan interaksi nonkovalen rusak dan membentuk, dan perubahan entropi, S , menggambarkan perubahan keacakan sistem:

Sebuah proses cenderung terjadi secara spontan hanya jika? G negatif. Namun fungsi sel tergantung pada molekul, seperti protein dan asam nukleat, dimana energi bebas pembentukan positif: molekul kurang stabil dan lebih tinggi daripada memerintahkan campuran komponen monomer mereka. Untuk melaksanakan ini secara termodinamika tidak menguntungkan, yang membutuhkan energi (endergonik) reaksi, sel pasangan mereka untuk reaksi lain yang melepaskan energi bebas (reaksi eksergonik), sehingga proses keseluruhan eksergonik: jumlah dari perubahan energi bebas negatif. Sumber biasa energi bebas dalam reaksi biologis ditambah adalah energi yang dilepaskan oleh hidrolisis ikatan phosphoanhydride seperti yang ada di adenosin trifosfat (ATP; Gambar 1-25,. Lihat juga Gambar 1-15.). Di sini, masing-masing P Mewakili kelompok fosforil.

Ketika reaksi-reaksi ini digabungkan, jumlah G1 and G2 negatif-proses keseluruhan eksergonik. Dengan strategi penggabungan (coupling) ini, sel-sel dapat mensintesis dan memelihara polimer kaya informasi penting untuk kehidupan.

Energy Coupling Links Reactions in BiologyKeq and Go Are Measures of a Reactions Tendency to Proceed Spontaneously Enzymes Promote Sequences of Chemical ReactionsMetabolism Is Regulated to Achieve Balance and EconomyNutrisi dlm lingkungan ( molekul kompleks seperti gula,lemak)

Cahaya matahari

Penurunan keacakan (entropi) dalam system

Senyawa sederhana polimerisasi untuk membentuk kaya informasi makromolekul: DNA, RNA, protein

Peningkatan keacakan (entropi) di lingkungan

Metabolisme menghasilkan senyawa

sederhana daripada molekul bahan bakar awal: CO2, NH3, H2O, HPO42

panas

Transformasi kimia dlm sel

Pekerjaan sel:

sintesis kimia ; kerja mekanik ; osmotik dan listrik gradient; produksi cahaya; mentransfer informasi genetik