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 senyawa kesenyawa lainnya.

Reaksi oksidasi adalah: jika suatu zat atau senyawa memberikan atau melepaskan elektron. jika suatu unsur mengalami pertambahan bilangan oksidasi / tingkat

oksiadasi. 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 / tingkat

oksiadasi. 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 + 1/2O2 oksidase A + H2OAH2 + 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 DehidrogenaseEnzim Dehidrogenase adalah enzim yang

mengkatalis pengalihan hidrogen tanpa menggunakan oksigen sebagai akseptor hydrogen.

Enzim ini melaksanakan 2 fungsi utama yaitu : 1 Penghalihan H dari substrat yang satu ke

substrat yang lain dalam redoks.2 Sebagai komponen dalam rantai

respiratorik, pengangkutan electron dari substrat ke oksigen

3. Enzim HidroperoksidaseEnzim 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 + AH2 peroksidase 2H2O + A

KatalaseEnzim 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.

H2O2 katalase 2H2O + O2

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

Enzim ini berfungsi untuk penghancuran hydrogen peroksida yang terbentuk oleh kerja enzim-enzim oksidase.

Mikrobodi atau peroksisom dijumpai dalam banyak jaringan termasuk hati.

Peroksisom kaya akan enzim oksidase dan katalase yang menunjukan adanya keuntungan biologic bila enzim-enzim yang memproduksi H2O2 dikelompokan dengan enzim yang menghancurkan H2O2.

4. Enzim OksigenaseBerhubungan 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 hanya satu atom oksigen kedalam substrat, atom yang lainya direduksi menjadi air sehingga diperlukan donor electron atau substrat tambahan.

A – H + O2 ZH2 A – OH + H2O + ZEnzim monooksigenase ditemukan dalam mikrosom sel-sel hati bersama dengan enzim sitrokom P-450 dan sitrokom b5.

2. Enzim Dioksigenase Enzim ini menyatukan kedua atom oksigen kedalam substrat

A + O2 AO2

Contoh enzim ini adalah enzim-enzim yang mengandung zat besi seperti homogentisat dioksigenase dan 3-hidroksiantranilat dioksigenase.

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

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

electron dipindahkan langsung sebagai electron.Contoh: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

electron dipindahkan dalam bentuk atom HAH2 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 pirimidinenzim ini memerlukan NAD+ dan NADP+ sebagai koenzim. Digunakan untuk tujuan biosintesis

2. Dehidrogenase terkait flavinenzim ini mengoksidasi/mereduksi memerlukan FMN dan FAD. Yang mentranfer e dari NADH keakseptor dan pernapasan

3. Protein zat besi sulfursebagai karier e.

4. Ubikuinon merupakan koenzim larut lemak yang bertindak sebagai karier e

5. Sitokromprotein yang mentranfer e

Hubungan Rantai Pernapasan dengan Senyawa Fosfat Berenergi Tinggi

Rantai respirasi (pernapasan) terdiri dari serangkaian protein dengan gugus protestik yang terikat kuat, dan mampu menerima dan memberikan electron.

Setiap anggota dapat menerima electron dari anggota sebelumnya dan memindahkan electron ke molekul anggota berikutnya dalam urutan reaksi yang spesifik.

Elektron yang masuk kaya akan energi, saat electron tersebut melalui rantai menuju oksigen dengan setahap demi setahap electron kehilangan energi bebasnya.

Siklus asam sitrat

AA piruvat Asam lemak

Asetil-KoA

NADH

NADH dehidrogenase

ubikuinon

Sitokrom bSitokrom c1

Sitokrom aa

2H+ + 1/2O2 H2O

NADH ADP + Pi 2eNADH

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 pasangan atom hydrogen yang dipindahkan oleh dehidrogenase, dengan memindahkan elektronnya menuju rantai transport electron, yang membawanya ke oksigen. Reduksi setiap atom oksigen memerlukan 2e- + 2H+. energi yang dibebaskan selama transport pasangan electron dari NADH menuju oksigen dipergunakan untuk melangsungkan sintesis tiga molekul ATP dari ADP dan fosfat di dalam proses fosforilasi 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) FeS

Suksinat Fp(FAD)

Asetil ko-A, sarkosin, dimetilglisin

sitokrom b (FeS)

sitrokrom c1

sitokrom c 2

sitokrom aa3 (Cu)

O2

Struktur dan fungsi Mitochondria

Mitokondria mempunyai 2 sistem membrane, membrane luar bersifat licin mengelilingi keseluruhan mitokondria, strukturnya permiabel terhadap hampir semua molekul kecil dan ion.

Membrane sebelah dalam mengandung rantai transport electron. Suksinat dehidrogenase, enzim yang mengkatalisis sintesis dan beberapa sistem transport membrane. Bagian ini bersifat permiabel terhadap banyak ion kecil .

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

Fungsi Mitokondria

Mitokondria memegang peranan penting dalam proses metabolic, yaitu :

apoptosis : proses kematian selproliferasi selsintesis hemesintesis 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 molekul subsrat A oleh system P450 dalam bentuk oksidanya (P450.Fe3+)

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

(P450.Fe2+) ini dioksigenasi dan satu lagi electron NADPH dipakai untuk mengubah O2 (yang terikat pada P450) menjadi bentuk radikalnya, O2

-. Suatu reaksi oksidasi dalam kemudian berlangsung

menghasilkan substrat yang terhidroksilasi dan H2O. tahap mekanisme ini diakhiri dengan regenerasi

P450 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 H2CO3 karbonat 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 CO2 kembali 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+

+

O2O2