BIOKIMIA - BIOENERGITIKA

Bioenergitika/ termodinamika biokima: pengetahuan tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia.

Hukum termodinamika:

-          Hukum termodinamika I = total energi suatu sistem = konstan/ tetap à penambahan/ pengurangan energi (-), perpindahan dan perubahan bentuk (+)

-          Hukum termodinamika II = semua sistem mengalami perubahan spontan menuju keadaan seimbang. Entropi: ukuran seberapa jauh sistem dari keadaan seimbang. Semakin acak suatu sistem semakin seimbang & nilai entropi semakin tinggi.

Metabolisme = katabolisme + anabolisme

Katabolisme = pemecahan molekul bahan bakar (eksergonik)

Anabolisme = reaksi pembentukan suatu substansi (endergonik)

CONTOH REAKSI EKSERGONIK

•         Glikolisis: adalah proses perubahan Glukose → Asetil coA + ATP

•         Siklus Kreb: adalah proses perubahan  Asetil coA → H + ATP

•         Fosforilasi Oksidatif: hádala proses pereaksiaan antara H + O → H2O + energi, dan energi yang terbentuk digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP

CONTOH REAKSI ENDERGONIK

•         Sintesa: protein, enzim, hormon, antibodi

•         Kontaksi otot: gerak, nafas, jantung

•         Eksitasi saraf: berpikir

•         Transport aktif: pompa Na-K, reabsorpsi tubulus nefron

Coupling reaction: penggabungan reaksi eksergonik & endergonik

Coupling reaction

1. Pembentukan senyawa antara: A+C à I à B+D

I = common obligatory intermediate (senyawa antara/ senyawa kaya energi)

2. Pembentukan senyawa kaya energi (~E)

Senyawa- senyawa kaya energi:

-          Tiol ester mencakup koenzimA, misal: asetil koA

-          Acyl carrier protein (ACP)

-          Senyawa ester asam amino

-          S- adenosilmetionin (metionin aktif)

-          UDPGIc (Uridin diphospat glukosa)

-          PRPP (5-phosphoribosil 1- pirophosphat)

4 vitamin B penting untuk siklus asam sitrat dan metabolisme yang menghasilkan energi:

-          Riboflavin: dalam bentuk FAD, kofaktor untuk succinate dehidrogenase

-          Niacin: dalam bentuk NAD, akseptor elektron untuk isositrat dehidrogenase, alfa ketoglutarat dehidrogenase dan malate dehidrogenase.

-          Thiamin (vitamin B1): sebagai thiamin diphospatase, koenzim untuk alfa ketoglutarat dehidrogenase.

-          Pnathotenic acid: sebagai bahan dari koenzimA, kofaktor yang melekat pada carboxylic acid yang aktif seperti acetyl koA dan succinyl koA.

3 sumber utama ~P:

-          Fosforilasi oksidatif: sumber ~P terbesar pada organisme aerobik. Energi bebasnya dari intra mitokondrial respiratory chain dengan molekul O2.

-          Glikolisis anaerobik: menghasilkan 2 ~P dari reaksi yang dikatalisa enzim fosfogliserat kinase dan piruvat kinase

-          Siklus asam sitrat: menghasilka 1~P pada reaksi yang dikatalisa enzim suksinil tiokinase.

FOSFAGEN =  simpanan fosfat energi tinggi

1. Kreatin fosfat: di otot rangka, jantung, spermatozoa, dan otak vertebrata.

2. Arginin fosfat di otot invertebrata.

Untuk mempertahankan konsentrasi ATP dalam otot saat kontraksi otot.

Kerja dari ATP

1. Kerja mekanis ATP

-          Ikatan ~P pada ATP diubah menjadi pergerakan dengan mengubah konformasi suatu protein, ex: serat otot yang berkontraksi.

-          ATP terikat pada head of miosin yang memiliki aktivitas ATP ase sehingga ATP dihidrolisis menjadi ADP dan Pi.

-          Jantung adalah spesialis transformasi energi kimia ATP menjadi kerja mekanis.

-          Tiap denyutan jantung tunggal memakai sekitar 2% ATP dalam jantung

-          Bila ATP dalam jantung tidak diperbaharui maka semua ATP akan habis terhidrolisis dalam waktu < 1 menit

-          Jantung memerlukan ATP dalam jumlah besar à pembentukan ATP jantung harus melalui fosforilasi oksidatif à tanpa O2 atau PO2 rendah, jumlah ATP yang diproduksi tidak cukup.

-          Aterosklerosis pada arteri kornaria à menghambat hantaran O2 ke sel otot jantung di distal sumbatan à sel ini tidak dapat menghasilkan ATP dalam jumlah adekuat à kematian sel (infark miokard)

2. Kerja transport ATP

-          Pada transport aktif, ikatan ~P pada ATP dipakai untuk memindahkan senyawa dengan melawan gradien konsentrasi.

-          Na-K ATP ase memakai ATP untuk memompa ion Na keluar dari sel.

3. Kerja biosintetik ATP

-          Pembentukan ikatan peptida (sintesa protein), ikatan –C-C- (sintesa asam lemak), ikatan –C-N (sintesa urea). Ikatan –C-O- (sintesa triasil gliserol) semuanya memerlukan energi dari ATP.`

Enzim yang penting

a) Adenilat kinase (miokinase): mengkatalisa interkonversi ATP serta AMP di satu pihak & ADP di lain pihak.

Reaksi ini memungkinkan 3 hal:

1. ~P dalam ADP untuk sintesa ATP

2. AMP mengalami fosforilasi ulang menjadi ADP dengan bantuan ATP

3. Pada waktu ATP terpakai habis maka akan terjadi peningkatan konsentrasi AMP yang bertindak sebagai sinyal metabolik untuk meingkatkan kecepatan proses katabolik yang selanjutnya dihasilkan ATP lebih banyak

b) Oksidasi biologi

     Oksidasi: pengeluaran elektron

     Reduksi: penerimaan elektron

     Proses oksidatif (donor elektron) selalu diikuti reduksi (akseptor elektron)

    Potensial redoks (EO`) = besarnya energi (volt) yang dibebaskan saat senyawa mendapatkan/ melepaskan elektron.

     Pada metabolik umumnya elektron dipindahkan dari senyawa dengan EO` rendah (lebih negatif) ke EO` tinggi (lebih positif)

     Makin negatif EO` suatu senyawa, makin besar energinya saat melepaskan elektron ke O2.

     OKSIDOREDUKTASE= 4 kelompok enzim yang mengkatalisa proses redoks:

     1. Oksidase                                                             3. Hidroperoksidase

     2. Dehidrogenase                                                   4. Oksigenase

1) OKSIDASE

-          Fungsi: mengkatalisis perpindahan hidrogen dari substrat ke O₂ sebagai akseptor.

-          Hasil akhir: air (H₂0) atau hidrogen peroksida (H₂O₂)

-          Yang termasuk enzim oksidase:

a.       Yang mengandung Cu: sitokrom oksidase

b.      Yang mengandung Flavin Mono Nukleotida (FMN) atau Flavib Adenin Dinukleotida (FAD): L-amino acid oksidase, xanthine oksidase, aldehyde dehydrogenase, glukosa oksidase.

Sitokrom oksidase = sitokrom aa3

·      Hemoprotein yang mempunyai heme prosthetic group = mioglobin, hemoglubin, dan sitokrom lain.

·      Merupakan komponen akhir rantai respirasi di mitokondria à transfer elektron dari oksidasi oleh enzim dehidrogenase ke O2

·      Toksin: Gas CO, sianida, dan hidrogen sulfida

·      FMN dan FAD dibentuk di dalam tubuh dari vitamin riboflavin

·      Metalloflavoprotein = flavoprotein yang mengandung 1/ > logam sebagai kofakataor essensial.

·      Contoh:

♥       L – amino acid oksidase: dengan FMN dalam ginjal mengkatalisa deaminase oksidatif asam L-amino.

♥       Xanthine oksidase: pada susu, usus halus, ginjal dan hati untuk konversi basa purin à asam urat.

♥       Aldehyde dehidrogenase: metalloflavoprotein dengan FAD pada hati mengkatalisa senyawa aldehid dan substrat N-heterosiklik.

♥       Glukosa oksidase: dengan FAD memperkirakan kadar glukosa.

2) DEHIDROGENASE

-          Fungsi: Transfer hidrogen dari satu substrat ke substrat yang lain, komponen rantai respirasi untuk transport elektron dari substrat ke O2

-          Terdiri dari: dehidrogenase dependent koenzim nikotinamide, dehidrogenase dependent riboflavin, sitokrom.

Dehidrogenase dependent koenzim nikotinamide

2 macam koenzim dari vitamin niasin:

1. NAD+ : nikotinamide adenine dinukleotida

2. NADP+ : nikotinamide adenine dinukleotida phosphate

Dehidrogenase-NAD+ mengkatalisa metabolisme oksidatif khususnya glikolisis, siklus asam sitrat dan rantai respirasi mitokondria.

Dehidrogenase-NADP+ mengkatalisa sintesis reduktif (seperti: sintesa asam lemak), sintesa steroid dan pentose phosphate pathway.

Dehidrogenase dependent riboflavin

2 macam koenzim:

1. FMN= Flavin mono nukleotida

2. FAD= Flavin adenin dinukleotida

Contohnya:

-NADH dehidrogenase: anggota rantai respirasi carrier elektron antara NADH dan kompone- komponen EO` lebih tinggi/ elektropositif (FMN)

-Succinate dehydrogenase, acyl CoA dehydrogenase, mitochondrial glycerol-3 phosphate dehidrogenase: mentransfer elektron langsung dari substrat ke rantai respirasi.

-Elektron-Transferring Flavoprotein (ETF): carrier elektron antara acyl-coA dehydrogenase dan rantai respirasi.

-Enzim dihidro-lipoil dehidrogenase: mengkatalisa dehidrogenase lipoat tereduksi yaitu produk antara dekarboksilasi oksidatif piruvat dan alfa ketoglutarat.

Sitokrom

-       Hemoprotein yang mengandung Fe yang berubah jadi Fe²⁺ atau Fe³⁺ dengan reaksi redoks. Semua termasuk dehidrogenase, kecuali sitokrom oksidaase. Carrier elektron dari flavoprotein ke sitokrom oksidase. Dalam rantai respirasi: sitokrom b, c1, c, a, dan aa3. Terdapat pada retikulun endoplasma (sitokrom P450 dan b5), sel-sel tanaman, bakteri, dan ragi.

3) HIDROPEROKSIDASE

-          2 jenis yaitu: peroksidase dan katalase

-          Fungsi: melindungi tubuh dari senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya/untuk menangkal radikal bebas.

-          Akumulasi senyawa peroksidase à timbul radikal bebas à merusak membran sel à penyakit kanker dan aterosklerosi.

            PEROKSIDASE

            -Ditemukan pada air susu, leukosit, trombosit, dan eritrosit.

     -Mengkatalisa reduksi hidrogen peroksida dari akseptor elektron, misal: asam askorbat, kuinon, sitokrom C.

     -Dalam eritrosit glutation peroksidaase mengkatalisa penghancuran H₂O₂ dan senyawa hidroperoksida lipid dengan glutation tereduksi à melindungi lipid membran dan hemoglobin terhadap oksidasi oleh senyawa peroksida.

     KATALASE

     -Selain aktivitas peroksidase, juga memakai 1 molekul H₂O₂ sebagai donor elektron dan molekul H₂O₂ yang lain sebagai akseptor elektron.

     -Didarah, sumsum tualng, membran mukosa, ginjal, dan hati.

     -Fungsi : menghancurkan hidrogen peroksida dari reaksi enzim oksidase.

4) OKSIGENASE

-          Mengkatalisa penyatuan O2 ke molekul substrat dalam 2 tahap:

1. Pengikatan O2 pada active site enzim

2. O2 yang terikat direduksi/ ditransfer ke substrat

-          Dibagi 2 sub kelompok: dioksigenase dan monooksigenase

DIOKSIGENASE

-Mengkatalisa penyatuan 2 molekul O2 ke substrat: A+O2 à AO2

contoh :- enzim liver: homo gentisat dioksigenase, 3- hidroksiantranilat dioksigenase

             - L- triptofan dioksigenase (tryptophan pyrolase)

MONOOKSIGENASE

-Mengkatalisa penyatuan 1 molekul O2 ke substrat, 1 molekul O2 lainnya direduksi jadi air: A-H + O₂ + ZH₂ à A – OH + H₂O + Z

contoh: sitokrom P450 untuk detoksifikasi obat dan hidroksilasi steroid

Enzim lain : SUPEROKSIDA DISMUTASEA

-       Fungsi: mentransfer 1 elektron ke O2 à membentuk superoxide anion free radical yang bersifat merusak.

-       Kemudahan membentuk superoksida dan keberadaan superoksida dismutase, mengindikasikan adanya potensial toksisitas O2 karena perubahannya menjadi superoksida.

-       Superoksida dismute melindungi organisme aerobik dari efek buurk superoksida. Terdapat pada semua jaringan aerobik dalam mitokondria dan sitosol.

-       Paparan binatang pada atmosfer 100% O2 dapat meingkatkan superoksida dismutase secara adaptif, paparan jangka panjang mengakibatkan kerusakan paru-paru dan kematian.

-       Anti oksidan, misal alfa tocopherol (vitamin E) menangkap radikal bebas dan mengurangi toksisitas O2.

♥     Rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif

-          Organisme aerobik dapat menangkap banyak energi bebas, sebagian besar di mitokondria yang berisi rangkaian katalisator berfungsi mengumpulkan, mengangkut ekuivalen pereduksi dan mengarahkan pada reaksi akhir dengan O2 membentuk H2O

-          Respirasi dirangkai dengan pembentukan senyawa antara energi tinggi  yaitu ATP oleh reaksi fosforilasi oksidatif

-          Bagian mitokondria: membran eksternal dan internal, ruang antar membran.

Membran eksternal

·         Permeabel terhadap sebagian besar metaboli

·         Terdapat enzim: monoamine oksidase, asil koA sintetase, gliserol fosfat asil transferase, fosfolipase A2.

Membran internal

·         Permeabilitas selektif, berbentuk lipatan/ krista

·         Di matriks terdapat enzim: phospholipid cardiolipin, enzim rantai respirasi, ATP synthase dan transporter-transporter membran.

·                     Fosforilasi oksidaatif 

                        Fosforilasi oksidatif yaitu proses perangkaian respirasi dengan produksi zat antara berenergi tinggi misal ATP yang terjadi di mitokondria. Pada kepentingan biomedis, hal ini berguna untuk mempelajari proses obat/racun yg dpt menghambat fosfolirasi oksidatif dan mempelajari kelainan bawaan (miopati,encepalopati, dll). Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumberenergi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak,pertumbuhan,dll. Respirasi terjadi di dalam mitokondria.

4 kompleks protein komponen rantai respirasi

1. Complex I = NADH-Q oxidoreduztase: transfer elektron dari NADH ke koenzim Q / Q / ubiquinone.

2. Complex II = Succinate Q reductase: elektron dilewatkan melalui bebrapa Fe-S ke Q

3. Complex III = Q cytochrome oxidoreductase: transfer elektron dari  Q ke cytochrome C

4. Complex IV = Cytochrome C oxidae: transfer elektron dari cytochrome C ke O2 dan kemudian direduksi jadi H2O

Berikut menunjukkan 5 kondisi yang mengontrol kecepatan respirasi mitokondria:

Status 1: tersedianya ADP dan substrat

Status 2: tersedianya substrat saja

Status 3: kapasitas rantai respirasi, bila substrat dan komponen lain terdapat dalam jumlah yang jenuh.

Status 4: tersedianya ADP saja

Status 5: tersedianya O2 saja dan proses yang memerlukan energi

-       Kerja ATP diubah jadi ADP à respirasi meningkat à memperbaharui simpanan ATP

-       Keadaan tertentu: konsentrasi Pi juga dapat berpengaruh

-       Respirasi meningkat (ex: olahraga): sel mencapai state 3 atau 5.

-       Energi bebas yang tidak jadi ~ dilepaskan sebagai panas à bukan tidak berguna kerena memastikan sistem respirasi eksergonik dipindahkan dari keseimbangan, membuat aliran ATP konstan dan kontinyu, juga untuk maintenance suhu tubuh.

Penghambat rantai respirasi:

1. Inhibitor rantai respirasi

-       Barbiturat (amobarbital) plerisidin A, insektisida, rotenon (racun ikan): menghambat transport elektron melalui complex I dengan memblok transfer dari Fe-S ke Q

-       Antimycin A dan dimercapol (BAL): menghambat pada complex III

-       H2S, karbon monoksida, dan sianida (HCN): mengahmba complex IV dan dapat menghentikan respirasi secara total.

-       Karboksin dan TTFA: menghambat transfer elektron pada complex II

-       Malonate: kompetitif inhibitor daari complex II

2. Inhibitor fosforilasi oksidatif

-       Atractioside: menghambat fosforilasi oksidatif dengan menghambat transporter ADP ke dalam dan ATP keluar mitokondria

3. Uncoupler fosforilasi oksidatif

-       Memisahkan oksidasi dan fosforilasi dalam rantai respirasi

-       Bersifat toksik, menyebabkan respirasi tidak terkontrol karena tidak lagi dibatasi oleh konsentrasi ADP dan Pi

contohnya: - 2,4 dinitrophenol (DNP), dinitrokresol, pentaklorofenol.

-   CCCP (m-klorokarbonil sianida fenil hidrazon)

-   Thermmogenin (the uncoupling protein)

-   Antibiotik oligomycin : memblok oksidasi dan fosforilasi secara total dengan memblok protein melalui ATP synthase

PROSES !

1. Siklus dimulai dengan reaksi antara sebagian acetyl dari acetyl coA dan 4-carbon dicarboxilic acid oksaloasetat, membentuk 6 carbon tricarboxylic acid dan citrate. Dalam reaksi berikut 2 molekul CO2 dilepas dan oksaloaseatat dihasilkan kembali. Hanya sedikit oxaloacetate yang dibutuhkan untuk oksidasi banyak acetyl co-A, dapat disebut mempunyai peranan katalitik.

2. Reaksi awal antara untuk membentuk citrate dikatalisa oleh citrate synthase, yang membentuk sebuah ikatan karbon-karbon antara methyl carbon dari acetyl koA dan carbonyl carbon dari oxaloasetat.

3. Oksaloasetat diisomerasasi menjadi isocitrate oleh enzim aconitase (aconitate hydratase); reaksi terjadi dalam 2 langkah yaitu rehidrasi menjadi cis aconitate dan rehidrasi menjadi isositrat. Fluoroacetate bersifat toksik karena berkondensasi dengan oxaloacetat untuk membuat fluorocitrate dengan menghambat aconitase, menyebabkan akumulasi citrate.

4. Citrate mengalami dehidrogenase yang dikatalisa oleh isocitrate dehidrogenase untuk awalnya membentuk oxalosuccinate, yang tetap terikat pada enzim dan mengalami dekarboksilase menjadi alfa ketoglutarat.

5.  Alfa ketoglutarat mengalami dekarboksilasi oksidatif oleh alfa ketoglutarat dehydrogenase complex dengan  kofaktor thiamin diphosphatase, lipoate, NAD+, FADD, dan coA à menghasilkan pembentukan succinyl coA, arsenite menghambat reaksi ini, menyebabkan akumulasi substrat yaitu alfa ketoglutarat.

6. Succinil koA diubah menjadi succinate oleh enzim succinate thiokinase (succinil coA syntethase). Selanjutnya metabolisme succinate mengarah pada regenerasi oxaloasetat

7. Reaksi dheidrogenasi pertama, membentuk fumarat, dikatalisa oleh succinate dehydrogenasea

8. Fumarase (fumarate hydratase) mengkatalisa penambahan air pada ikatan ganda fumarate, menghasilkan malate.

9. Malate diubah menjadi oksaloasetat oleh malate dehidrogenase.

Peran siklus asam sitrat dalam glukoneogenesis, transaminasi, dan deaminasi

-       Semua zat antara dalam siklus adalah potensial glukogenik, karena dapat meningkatkan oxaloacetate dan produksi glukosa (di liver dan ginjal)

-       Laktat, substrat penting untuk gluconeogenesis, teroksidasi menjadi piruvat.

-       Pyruvat mengalami karboksilasi menjadi oksaloasetate dikatalisa pyruvate carboxylase à penting untuk mempertahankan konsentrasi oxaloacetate yang adekuat untuk kondensasi dengan acetyl koA

-       Oxaloacetate mengalami dekarboksilasi keluar dari siklus asam sitrat ke gluconeogenesis dikatalisa oleh phosphoenol pyruvat carboxykinase menjadi phosphoenol piruvat

-       Jika asetil koA terakumulasi à sebagai aktivator aloosterik pyruvate carboxylase dan inhibitor pyruvate dehidrogenase à memastikan suplai oksaloasetat

Peran siklus asam sitrat dalam sintesis asam lemak

-       Pyruvate dikatalisa piruvat dehidrogenase membentuk acetyl koA yang merupakan substrat utama untuk sintesis rantai panjang asam lemak

-       Pyruvate dehidrogenase merupakan enzim mitokondria dan membran mitokondria impermeable terhadap acetyl koA

-       Sintesis asam lemak adalah jalur cystolik

-       Acetyl koA tersedia di sitosol dari sitrat yang disintesa dalam mitokondria, ditransport ke sitosol dan masuk dalam reaksi yanng dikatalisa oleh ATP citrate lyase

-       Citrate hanya tersedia untuk transport keluar mitokondria ketika aconitase disaturasi dengan substratnya dan citrate tidak dapat dihubungkan langsung dari citrate sintase ke acanotase.

-       Hal ini memastikan citrate digunakan untuk sintesis asam lemak ketika terdapat jumlah yang adekuat untuk tetap melangsungkan aktivitas dalam siklus.

ASPEK KLINIK

Apa yang terjadi jika rantai respirasi mengalami gangguan?

            Pada kondisi fatal yang disebut fatal infertil mitocondrial myopati, mitocondria change  ini disebabkan sebagian besar oksidoreduktase tidak ada dalam rantai respirasi, merupakan penyakit keturunan akibat kompleks I dan kompleks IV.

            Pada kepentingan biomedis, fosforilasi oksidatif berguna untuk mempelajari proses obat/racun yg dpt menghambat fosfolirasi oksidatif dan mempelajari kelainan bawaan (miopati,encepalopati, dll).

Mengapa kita perlu mempelajari bioenergitika?

Bioenergitika adalah studi tentang bagaimana organisme mengelola sumberdaya dan energinya. Contohnya saja fungsi ATP dalam klinisnya. Peranan ATP sebagai sumber energi untuk metabolisme di dalam sel berlangsung dengan suatu mekanisme mendaur. ATP berperan sebagai alat angkut energi kimia dalam reaksi katabolisme ke berbagai proses reaksi dengan sel yang membutuhkan energi seperti pada proses biosintesis, proses prngangkutan, proses kontraksi otot, proses pengaliran listrik dalam sistem syaraf, dan proses pemancar sinar (bioluminesensi) yang terjadi pada organisme tertentu.