Oksidasi Biologi dan

Bioenergetika

By :

Elni Sumarni, S.Si

Bioenergetika

Adalah termodinamika biokimia, merupakan ilmu pengetahuan yang mempelajari perubahan-perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia.

Energi Bebas(∆G)

Energi bebas merupakan bagian dari total perubahan energi dalam suatu system yang tersedia untuk melakukan pekerjaan.

Hukum I Termodinamika

“Dalam setiap perubahan fisika atau kimia jumlah total energi pada lingkungan adalah tetap”

Hukum II Termodinamika

“Entropi total suatu sistem harus meningkat bila suatu proses berlangsung spontan”

Hubungan antara perubahan energi bebas (∆G) suatu sistem yang bereaksi dengan perubahan entropi (∆S).

∆G = ∆H - T∆S

∆G = ∆E - T∆S

∆H = Perubahan entalpi (panas)

∆G = Perubahan energi total internal.

Jika ∆G negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas. Reaksi bersifat Eksoterm

Jika ∆G positif, reaksi berlangsung hanya kalau dapat diperoleh energi bebas. Reaksi bersifat Endoterm

Jika ∆G = 0, sistem tersebut berada dalam keseimbangan dan tidak ada perubahan netto yang terjadi.

Perubahan baku energi bebas (∆Go )

pada keadaan baku dinyatakan oleh :

∆Go = -2,303 RT Log K’eq

R = Konstanta Gas

K’eq = Konstanta keseimbanggan

∆G dapat lebih besar atau lebih kecil dari

∆Go tergantung pada konsentrasi

berbagai reakan.

Senyawa Berenergi Tinggi

ATP (adenosine trifosfat) sebagai senyawa antara utama yang menghubungkan reaksi kimia penghasil energi dan reaksi yang menghasilkan energi.

ATP terhidrolisis menjadi ADP (adenosine difosfat) dan Pi (fosfat anorganik) atau AMP (adenosine monofosfat) dan PPi(pirofosfat)

Senyawa lain yang berenergi tinggi adalah uridin

trifosfat(UTP), guanisin trifosfat(GTP) dan

sistidin trifosfat(CTP), merupakan senyawa yang

mengambil bagian dalam proses fosforilasi di

dalam sel. UTP, GTP dan CTP

ATP + UDP ADP + UTP

ATP + GDP ADP + GTP

ATP + CDP ADP + CTP

Proses OksidasiReaksi oksidasi-reduksi (redoks)

adalah reaksi dimana elektron dipindahkan dari suatu senyawakesenyawa lainnya.

Reaksi oksidasi adalah:

jika suatu zat atau senyawa memberikan atau melepaskan elektron.

jika suatu unsur mengalami pertambahan bilangan oksidasi / tingkatoksiadasi.

yang terjadi dianoda suatu sel elektrokimia.

Fe3+ e- Fe2+

zat yang mengalami oksidasi disebut reduktor/ donor elektron

Reaksi Reduksi adalah

jika suatu zat atau senyawa menerima atau menangkap elektron

jika suatu unsur mengalami pengurangan bilangan oksidasi / tingkatoksiadasi.

terjadi dikatoda suatu sel elektro kimia

zat yang mengalami reduksi disebut oksidator atau akseptor elektron

Reaksi REDOKS (REDUKSI & OKSIDASI)

memerlukan enzim OKSIDOREDUKTASE

Oksidasi biologi pada makhluk hidup tingkat

tinggi MUTLAK memerlukan adanya OKSIGEN.

Pada makhluk tertentu (bakteri anaerob) mampu

melakukan oksidasi biologi tanpa Oksigen

bebas. (INGAT KONSEP ORGANISME

AEROBIK dan makhluk hidup ANAEROBIK)

Kemampuan suatu senyawaan melakukan

pertukaran electron (memberi atau menerima

electron) disebut sebagai POTENSIAL REDOKS

(dinyatakan dalam satuan volt)

Enzim yang terlibat dalam Oksidasi Biologis

Enzim yang terlibat dalam proses redoks diberi

nama oksidoreduktase. Enzim ini dibedakan

menjadi 4 golongan, yaitu

- enzim oksidase

- enzim dehidrogenase

- enzim hidroperoksidase dan

- enzim oksigenase

1. Enzim Oksidase

Enzim oksidase adalah mengkatalis pengeluaran hydrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen sebagai akseptor hydrogen.

Enzim-enzim tersebut membentuk air atau hydrogen peroksida sebagai produk reaksi.

AH2 + 1/2O2oksidase A + H2O

AH2 + O2 oksidase A + H2O2

contoh : Enzim Sitokrom oksidase, Enzim ini adalah komponen terakhir pada rantai zat-zat pembawa respiratorik yang ditemukan dalam mitokondria.

Enzim oksidase merupakan flavoprotein,

yaitu mengandung FMN atau FAD sebagai

gugus protestik.

Enzim yang termasuk kelompok ini :

oksidase asam L-amino, yaitu enzim yang

berikatan dengan FMN ditemukan dalam

ginjal dengan spesifisitas untuk deaminasi

oksidatif asam-asam L-amino.

Enzim xantin oksidase terdapat dalam susu,

usus halus, ginjal dan hati.

2. Enzim Dehidrogenase

Enzim Dehidrogenase adalah enzim yangmengkatalis pengalihan hidrogen tanpamenggunakan oksigen sebagai akseptorhydrogen.

Enzim ini melaksanakan 2 fungsi utama yaitu :

1 Penghalihan H dari substrat yang satu kesubstrat yang lain dalam redoks.

2 Sebagai komponen dalam rantairespiratorik, pengangkutan electron darisubstrat ke oksigen

3. Enzim Hidroperoksidase

Enzim ini menggunakan H2O2 atau peroksida

organic sebagai substrat.

Enzim ini melindungi tubuh terhadap senyawa-

senyawa peroksida yang berbahaya.

Enzim hidroperoksidase dibagi menjadi 2

kelompok;

a. peroksiadase

b. katalase

Peroksidase

Enzim Peroksidase adalah enzim yang mereduksi senyawa-senyawa peroksida dengan menggunakan beberapa substansi sebagai akseptor electron.

- Enzim-enzim peroksidase ditemukan dalam air susu, dalam leukosit, trombosit.

H2O2 + AH2peroksidase 2H2O + A

Katalase

Enzim Katalase, menggunakan H2O2

sebagai donor electron dan akseptor

electron.

Enzim katalase menggunakan satu molekul

H2O2 sebagai substrat atau donor electron

dan molekul lain H2O2 sebagai oksidan atau

akseptor electron.

H2O2katalase 2H2O + O2

Katalase ditemukan dalam; darah, sum-sumtulang, membrane mukosa, ginjal dan hati.

Enzim ini berfungsi untuk penghancuranhydrogen peroksida yang terbentuk oleh kerjaenzim-enzim oksidase.

Mikrobodi atau peroksisom dijumpai dalambanyak jaringan termasuk hati.

Peroksisom kaya akan enzim oksidase dankatalase yang menunjukan adanya keuntunganbiologic bila enzim-enzim yang memproduksiH2O2 dikelompokan dengan enzim yangmenghancurkan H2O2.

4. Enzim Oksigenase

Berhubungan dengan sintesis atau

penguraian berbagai tipe metabolis.

Enzim mengkatalis penyatuan oksigen ke

dalam substrat.

Enzim Oksigenase dibagi menjadi 2

yaitu:

1. Monoksigenase

2. dioksigenase

1. Enzim Monoksigenase

adalah enzim yang menyatukan hanyasatu atom oksigen kedalam substrat, atom yang lainya direduksi menjadi air sehingga diperlukan donor electron atausubstrat tambahan.

A – H + O2 ZH2 A – OH + H2O + Z

Enzim monooksigenase ditemukandalam mikrosom sel-sel hati bersamadengan enzim sitrokom P-450 dansitrokom b5.

2. Enzim Dioksigenase

Enzim ini menyatukan kedua atomoksigen kedalam substrat

A + O2 AO2

Contoh enzim ini adalah enzim-enzimyang mengandung zat besi sepertihomogentisat dioksigenase dan 3-hidroksiantranilat dioksigenase.

Transfer elektron dalam selPada sel eukaryotic, hamper semua dehidrogenase spesifik yang

diperlukan pada oksidasi piruvat dan bahan bakar melaluisiklus asam sitrat terletak pada bagian dalam mitokondria, yaitumatrik. Dalam sel electron dipindahkan dari satu molekul kemolekul lain melalui empat cara berikut:

electron dipindahkan langsung sebagai electron.

Contoh: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

electron dipindahkan dalam bentuk atom H

AH2 A + 2e- + 2H+

AH2 + B A + BH2

electron dapat dipindahkan dari donor ke akseptor dalam bentuk ion hidrida (H-).

pemindahan electron terjadi jika terdapat kombinasi langsung dari suatu pereduksi organic dan oksigen.

R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH

Komponen dari sistem transfer elektron

1. Dehidrogenase terkait pirimidin

enzim ini memerlukan NAD+ dan NADP+ sebagaikoenzim. Digunakan untuk tujuan biosintesis

2. Dehidrogenase terkait flavin

enzim ini mengoksidasi/mereduksi memerlukan FMN dan FAD. Yang mentranfer e dari NADH keakseptordan pernapasan

3. Protein zat besi sulfur

sebagai karier e.

4. Ubikuinon

merupakan koenzim larut lemak yang bertindaksebagai karier e

5. Sitokrom

protein yang mentranfer e

Hubungan Rantai Pernapasan dengan Senyawa Fosfat

Berenergi Tinggi

Rantai respirasi (pernapasan) terdiri dariserangkaian protein dengan gugus protestik yang terikat kuat, dan mampu menerima dan memberikanelectron.

Setiap anggota dapat menerima electron darianggota sebelumnya dan memindahkan electron kemolekul anggota berikutnya dalam urutan reaksiyang spesifik.

Elektron yang masuk kaya akan energi, saatelectron tersebut melalui rantai menuju oksigendengan setahap demi setahap electron kehilanganenergi bebasnya.

Siklus asam sitrat

AA piruvat Asam lemak

Asetil-KoA

NADH

NADH dehidrogenase

ubikuinon

Sitokrom b

Sitokrom c1

Sitokrom aa

2H+ + 1/2O2 H2O

NADH ADP + Pi

2e

NADH

Dehidrigenase ATP

2e

Ubikuinon

2e ADP + Pi

Sitokrom b

2e

Sitokrom c1 ATP

2e

Sitokrom c

2e ADP + Pi

Sitokrom oksisede

2e ATP

2H+ + ½ O2 H2O

Bagan diatas memperlihatkan asal mula pasanganatom hydrogen yang dipindahkan olehdehidrogenase, dengan memindahkan elektronnyamenuju rantai transport electron, yang membawanyake oksigen.

Reduksi setiap atom oksigen memerlukan 2e- +2H+. energi yang dibebaskan selama transportpasangan electron dari NADH menuju oksigendipergunakan untuk melangsungkan sintesis tigamolekul ATP dari ADP dan fosfat di dalam prosesfosforilasi oksidatif.

Oksidasi Hidrogen (H) dalam

Mitokondria

Rantai respirasi utama dalam mitokondria

berjalan dari sistem dehidrogenase yang

berikatan NAD lewat flavoprotein dan

sitokrom, menuju oksigen.

Piruvat α-ketoglutarat

Lipoat

Flavoprotein (FAD)

NADprolin, 3-hidroksil-KoA,

3-hidoksilbitirat, glutamate,

malat, isositrat

Fp (FMN) FeS

gliserol 2-fosfat

Fp (FAD) FeS

Fp ETF(FAD)QFp (FAD)

FeSSuksinat Fp(FAD)

Asetil ko-A,

sarkosin,

dimetilglisin

sitokrom b (FeS)

sitrokrom c1

sitokrom c2

sitokrom aa3 (Cu)

O2

Struktur dan fungsi Mitochondria

Mitokondria mempunyai 2 sistem membrane,membrane luar bersifat licin mengelilingikeseluruhan mitokondria, strukturnya permiabelterhadap hampir semua molekul kecil dan ion.

Membrane sebelah dalam mengandung rantaitransport electron. Suksinat dehidrogenase, enzimyang mengkatalisis sintesis dan beberapa sistemtransport membrane. Bagian ini bersifat permiabelterhadap banyak ion kecil .

Matriks, mengandung hampir semua enzim-enzimsiklus asam sitrat. Sistem piruvat dehidrogenase,sistem oksidasi asam lemak, ATP, ADP, AMP,Posfat, NAD, NADP dan koenzim A, juga terdapatK+, Mg2+, dan Ca2+.

Fungsi Mitokondria

Mitokondria memegang peranan

penting dalam proses metabolic, yaitu :

apoptosis : proses kematian sel

proliferasi sel

sintesis heme

sintesis steroid

Proses Transfer Elektron

di Mikrosom

Pengangkutan electron yang terjadi dalam reticulum endoplasma (mikrosom) berlangsung dengan adanya system pengangkutan electron yang terikat pada membrane organel tersebut.

proses dalam organel ini dirangkai dalam proses hidroksilasi berbagai senyawa kimia (substrat) didalam sel.

System transfer electron di mikrosom yang terdapat didalam sel hati terdiri dari molekul pembawa electron NADP, NADP dehidrogenase, suatu flavoprotein yang disebut NADPH-sitokrom P450 reduktase (enzim yang mengandung FAD) dan sitokrom P450. bentuk tereduksi P450 yaitu P450.Fe(II) atau P450.Fe2+, breaksi dengan molekul O2. dalam reaksi ini satu atom O direduksi menjadi H2O dan satu atom O lainnya dimasukan kedalam molekul substrat.

Mekanisme dimulai dengan mengikat suatu molekulsubsrat A oleh system P450 dalam bentukoksidanya (P450.Fe3+)

(P450.Fe3+) direduksi oleh satu electron dari NADPH(melalui FAD) menghasilkan bentuk reduksinya(P450.Fe2+).

(P450.Fe2+) ini dioksigenasi dan satu lagi electronNADPH dipakai untuk mengubah O2 (yang terikatpada P450) menjadi bentuk radikalnya, O2

-.

Suatu reaksi oksidasi dalam kemudian berlangsungmenghasilkan substrat yang terhidroksilasi dan H2O.

tahap mekanisme ini diakhiri dengan regenerasiP450 menjadi bentuk oksidanya kembali(P450.Fe3+).

NADPH

NADP+

FAD

FADH2

P450-A

Fe2+.O2

Fe2+.O2

P450-A

P450-A

P450-A

Fe2+

Fe3+

Fe3+

A

P450

O2

A-OH + H2O

Transfer Elektron di Mikrosom

Proses Oksidasi – Reduksi di Sel Darah Merah

I. CO2 dalam eritrosit cepat dihidrasi menghasilkan karbonat

CO2 + H2O H2CO3

II. H2CO3 mengalami ionisasi

H2CO3karbonat anhidrase H+ + HCO3

-

HCO3- yang terbentuk keluar dari sel masuk ke plasma darah dengan penukaran ion (Cl-). H+ yang dihasilkan dari ionisasi H2CO3 menyebabkan terjadi pelepasan O2 dan HbO2

H+ + HbO2 HHb+ + O2

Jika darah dalam vena banyak mengandung CO2kembali ke paru-paru terjadi kebalikan siklus.

HHb+ + O2 H+ + HbO2

H+ + HCO3- H2CO3

H2CO3 CO2 + H2O

Proses Oksidasi – Reduksi di Sel Darah Merah

Plasma darah

Pembuluh kapiler darah

Sel darah merah

O2 O2

HHb+

HCO3 HCO3- + H+ H2CO3 CO2

H2OCl- Cl-

+

HbO2

Dinding kafiler Membran sel

Sel darah merah

HbO2

+

HCO3- HCO3

- H+ H2CO3 CO2

Cl-Cl- HHb+

+

O2 O2