8. Bioenergetika.pptx

BIOENERGETIKA Lisa Andina, M.Sc, Apt.

• Organisme hidup harus bekerja untuk tetap hidup, tumbuh dan bereproduksi • Organisme hidup memiliki kemampuan untuk memproduksi energi

dan mengubahnya menjadi kerja biologis • Organisme hidup, membawa energi transduksi, mengubah salah satu bentuk energi menjadi bentuk lain. • Organisme tingkat tinggi menggunakan energi kimia sebagai bahan bakar (karbohidrat, lipid) untuk membuat makromolekul kompleks. • Mengubahnya menjadi gerak dan panas, dan beberapa organisme mengubahnya menjadi cahaya (kunang-kunang dan beberapa

spesies ikan laut dalam).

• Tujuan pembelajaran mengenai bioenergetika ini

adalah

agar

mahasiswa

mampu

menjelaskan tentang hukum termodinamika, energi bebas dan perubahan energi bebas.

? • • • • •

Bioenergetika? Hukum termodinamika? Energi bebas? Perubahan energi bebas? ATP?

Bioenergetika dan termodinamika • Bioenergetika adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia.

• energi yang menyertai reaksi biokimia mengikuti hukum termodinamika

Termodinamika • Hukum pertama termodinamika: • energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. • Ini berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. • Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain.

• Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya

Termodinamika • Hukum kedua termodinamika: • Entropi semesta akan meningkat selama proses kimiawi atau fisis. • Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem.

Energi bebas Gibbs (G) •

Reaksi kimia merupakan sumber energi dari kehidupan

•

Reaksi kimia merupakan dasar dari perubahan (transformasi) energi

•

G menyatakan jumlah energi yang mampu melakukan pekerjaan selama reaksi pada suhu dan tekanan konstan.

•

Ketika reaksi berlangsung dengan pelepasan energi bebas (yaitu, ketika sistem berubah sehingga memiliki lebih sedikit energi bebas) ΔG memiliki nilai negatif dan reaksi dikatakan eksergonik.

•

Dalam reaksi endergonik, sistem mendapatkan energi bebas dan ΔG positif

•

Satuan ΔG adalah joule/mol atau kalori/mol

Reaksi endergonik • Reaksi kimia yang memerlukan energi • Menyerap energi dan menyimpannya • Fotosintesis

SUN photons

6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 (glucose)

Light Energy

Reaksi eksergonik • Reaksi kimia yang melepaskan energi • Respirasi sel Energy

C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O+ ATP (glucose)

Eksergonik/Endergonik

11

Entalpi dan entropi • Enthalpy (H): H adalah konten panas dari sistem yang bereaksi. • H mencerminkan jumlah dan jenis ikatan kimia dalam reaktan dan produk. • Ketika reaksi kimia melepaskan panas, dikatakan sebagai eksotermik, kandungan panas dari produk kurang dari reaktan dan ΔH memiliki nilai negatif • sistem yang mengambil panas dari lingkungan mereka adalah endotermik dan memiliki nilai ΔH positif • Satuan ΔH adalah joule/mol atau kalori/mol • Entropi (S): S adalah ekspresi kuantitatif untuk keacakan atau gangguan dalam suatu sistem • Satuan ΔS adalah joule/ mol. Kelvin

• Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (∆G) dari sistem yang bereaksi dan perubahan entropi (∆S) dinyatakan oleh persamaan berikut, yang menggabungkan dua hukum termodinamika: ∆G =∆H−T∆S • ΔG = Perubahan energi bebas Gibbs dari sistem yang bereaksi (Gproduk– Greaktan) • ΔH = Perubahan entalpi sistem reaksi (Hproduk - Hreaktan) • T = Suhu absolut • ΔS = Perubahan entropi sistem yang bereaksi (Sproduk - Sreaktan)

• Organisme hidup menjaga tatanan internal mereka dengan mengambil energi bebas dari sekitarnya dalam bentuk nutrisi atau sinar matahari dan mengembalikannya ke lingkungan mereka dengan jumlah energi yang sama sebagai panas dan entropi.

• Organisme hidup (manusia) mengekstrak energi bebas dari glukosa yang diperoleh dari sekitarnya dengan mengoksidasi glukosa dengan oksigen (juga diperoleh dari lingkungan). • Produk akhir dari reaksi oksidasi ini adalah CO2 dan H2O dan mereka dikembalikan ke sekitarnya.

Kerja sel • Organisme hidup memperoleh energi bebas dari molekul nutrisi.

• Sel mengubah energi bebas ini menjadi ATP (Adenosin Tri Phosphate) dan senyawa kaya energi lainnya yang mampu menyediakan energi untuk pekerjaan biologis pada suhu konstan.

3 jenis utama kerja sel • Mekanikal  kontraksi otot • Transport  pompa menyebrangi membran • Reaksi kimia  pembentukan polimer All cellular work is powered by

ATP

ATP

ATP • Tiga gugus fosfat - (dua dengan ikatan energi tinggi) • Grup fosfat terakhir (PO4) mengandung energi paling besar • Ketiga

kelompok

fosfat

bermuatan negatif (saling tolak sehingga sangat tidak stabil)

• Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan

energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. • Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi sebagai kompleks Mg2+

• ATP sebagai kompleks magnesium:

Pemutusan ikatan pada ATP •

Terjadi terus dalam sel

•

Enzim ATP-ase dapat melemahkan & memutus

ikatan

PO4

yang

melepaskan energi & PO4 bebas

•

Fosforilasi = gugus fosfat menempel pada molekul lain yang membuatnya lebih tidak stabil dan lebih reaktif (dorongan energi untuk melakukan

pekerjaan)

ATP • Diperkirakan setiap sel akan menghasilkan dan mengkonsumsi

sekitar

1-10 juta molekul ATP per detik

Hidrolisis ATP ATP + H2O  ADP + P

(exergonic)

Adenosine triphosphate (ATP) P

P

P Hydrolysis (add water)

P

P

+

P

Adenosine diphosphate (ADP)

Hidrrolisis merupakan reaksi eksergonik

Energy Used by Cells

Dehidrasi ATP ADP + P  ATP + H2O (endergonic) Dehydration (Remove H2O P

P

+

P

Adenosine diphosphate (ADP)

Adenosine triphosphate (ATP)

P

P

P

Dehidrasi merupakan reaksi endergonik

Energy is restored in Chemical Bonds

• •

• •

Standar Energi bebas hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki ΔG lebih rendah dari pada ΔG0 pada ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai ΔG lebih tinggi daripada ΔG0 pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan sebagainya.

• Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~℗ • Ada 3 sumber utama ~℗ yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi. – Fosforilasi oksidatif Fosforilasi oksidatif adalah sumber ~℗ terbesar dalam organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari oksidasi rantai

respirasi di dalam mitokondria dengan menggunakan oksigen. – Glikolisis Dalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua ~℗ yang terjadi akibat pembentukan laktat – Siklus asam sitrat Dalam siklus asam sitrat satu ~℗ dihasilkan langsung pada tahap suksinil tiokinase.