METABOLISME

Source: - Garret & Grisham

- Lehninger

• Sejumlah perubahan kimia yang

mengonversi nutrien menjadi energi dan

produk kompleks kimia dari sel

• Ratusan reaksi enzimatik yang teratur

menjadi jalur yang khusus

• Substrat ditransformasi menjadi produk

melalui berbagai zat antara (intermediate)

spesifik

Makanan Zat perantara

Biomolekul

kompleks

Zat perantara

Jalur metabolisme yang kompleks, teratur, dan interdependen

energi dari molekul kimia nutrien dipanen.

Konsep Metabolisme

• Metabolisme = semua reaksi kimia yang

terjadi dalam organisme hidup

• Reaksi metabolisme menghasilkan

berbagai proses kehidupan, contoh:

– fotosintesis

– respirasi

– pergerakan

– pertumbuhan

– reproduksi

Matahari : Energi kehidupan

• Phototrophs menggunakan cahaya untuk

melakukan sintesis molekul organik.

• Heterotrophs menggunakan unit-unit

senyawa kimia

• CO2, O2, dan H2O didaur ulang

• Sumber energi (Photo- vs. Chemotroph)

– Sumber elektron

– Karier elektron

– Aseptor elektron

• Sumber karbon (Auto- vs. Heterotroph)

– Auto- : karbon dioksida

– Hetero- : senyawa organik

ENERGY SOURCE

Phototrophs use light as an energy source.

Chemotrophs use redox reactions of organic or inorganic compounds as an energy source

Tipe metabolisme

• Katabolisme (degradasi):

– Mengurai suatu molekul organik yang

kompleks menjadi molekul sederhana,

biasanya menghasilkan energi. mis pada

respirasi

Tipe metabolisme

• Anabolisme (biosintetik)

– membangun suatu molekul organik yang

kompleks dari molekul sederhana,

biasanya membutuhkan energi. mis. Pada

fotosintesis

Regulasi metabolisme

• Reaksi metabolik diregulasi oleh enzim

– Kalau tanpa enzim reaksi sangat lambat

substrat

enzim

Sisi aktif

substrat

Mekanisme kerja enzim

• Setiap enzim mempunyai sisi aktif

• Tempat berikatan substrat dengan enzim

enzim

Kerja enzim pada anabolisme

substratsubstrat

Kompleks

enzim-substrat

produk

enzim

Kerja enzim pada katabolisme

substrat

Kompleks

enzim-substrat

produkproduk

• Jalur atau pathway metabolisme banyak

langkahnya:

– Dimulai dengan molekul spesifik dan diakhiri

dengan produk

– Dikatalisasi oleh suatu enzim yang spesifik

Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3

A B C D

Reaction 1 Reaction 2 Reaction 3

Molekul awalProduk

Jalur atau Pathways

• Pathways terdiri dari langkah sekuensial

• Enzimnya dapat terpisah atau bentuk

kompleks (multi enzyme complex)

• Atau menempel pada sistim membran

Katabolisme & Anabolisme

• Jalur katabolik: converge menjadi

beberapa produk akhir

• Jalur Anabolik: diverge menjadi banyak

biomolekul

• Ada yang keduanya disebut amphibolic

Membedakan Jalur

• Jalur anabolik dan katabolik yang melibatkan

produk yang sama, biasanya tidaklah sama

• Ada beberapa langkah yg umum pada kedua

metabolisme

• Ada yang berbeda- hal ini untuk menjamin

masing-masing jalur terjadi secara spontan

• Hal ini juga menjadikannya sebagai

mekanisme regulasi, agar satu jalur aktif dan

jalur satunya berhenti

Transformasi energi dalam kehidupan :

Hukum termodinamika

Hukum 1:

Energy can be transferred and transformed

Energy cannot be created or destroyed

Hukum 2:

Spontaneous changes that do not require

outside energy increase the entropy, or

disorder, of the universe

Energy extraction

from surroundings

Convert E to work

Release E as heat

Release less organized

end-products

Ssurroundings

Produce more organized

polymers

Ssystem

Living organisms preserve internal order by taking free energy ( G, sunlight, nutrients) from their surroundings and giving back an equal amount of energy as heat ( H) and entropy ( S)

Interkonversi energi pada mahluk hidup

(Lehninger, p. 19 27)

Hukum Termodinamika kedua (Entropy, S):

Oksidasi glukosa

C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6 H2O + energi

Pada proses ini, 7 molekul diubah menjadi

(dan lebih terdispersi acak) 12 molekul.

Entropi meningkat (molecular disorder).

• Perubahan energi bebas suatu reaksi akan

menentukan reaksi terjadi secara spontan

• Free-Energy Change, G

– Energi bebas suatu sistim kehidupan adalah

energi yang dapat menghasilkan aktivitas

dalam sel

• ∆G saat proses biologik Berhubungan langsung

dengan perubahan entalpi (∆H) dan perubahan

entropi

∆G = ∆H – T∆S

• Energi bebas suatu proses, yaitu

– ∆ G = G final state - G starting state

– atau ∆ G = ∆ H - T ∆ S

• Agar suatu sistem spontan, sistemnya harus

melepas energi (penurunan pada H), melepas

keteraturan (penurunan pada S), atau

keduanya.

– Delta G harus negatif.

– Makin besar berkurangnya energi

bebas, makin besar aktivitas suatu proses

spontan terjadi

– Alam bergerak “downhill.”

G’ = - RT lnK’eq

Fig. 1-27

Reaksi hidrolisis

spontan

Reaksi

isomerisasi

perubahan energi

bebasnya lebih

kecil.

Awal 20 mM G 1-P dan tidak ada G6-P. Pada akhir

ekuilibrium 1 mM G1P dan 19 G6P (pada 25C, pH7.0).

Apakah arah reaksi pembentukan G6P berjalan dengan

kehilangan atau penambahan energi bebas?

1. Hitung Keq

19mM = 19

1.0mM

1. Hitung perubahan standar energi bebasnya

= - (8.315 J/molK)(298 K)(ln 19)

= - 7.3 kJ/mol

G’ = - RT lnK’eq

Berjalan dengan energi bebas yang dilepas dan

spontaneous

Reactants

Products

Energy

Progress of the reaction

Amount of

energy

released

(∆G <0)

Po

ten

sial

en

erg

y o

f m

ole

cule

s

(a) Exergonic reaction: energy released

Reaksi Eksergonik

• Besarnya ∆ G untuk reaksi eksergonik adalah

jumlah maksimum kerja yang dapat dihasilkan

oleh suatu reaksi.

– Untuk reaksi respirasi seluler:

• C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O

– ∆ G = -686 kcal/mol

– Dari hasil reaksi, 686 kcl siap untuk lakukan suatu

reaksi dalam sel.

Reaksi endergonik Reaksi yang mengabsorbsi energi bebas dari

lingkungannya dan non-spontan

Energy

Products

Amount of

energy

Input (∆G>0)

Reactants

Progress of the reaction

Po

ten

sial

en

erg

y o

f m

ole

cule

s

(b) Endergonic reaction: energy required

• Bila respirasi seluler melepas 686 kcal, maka

fotosintesis (reaksi sebaliknya) harus hasilkan

energi yang setara.

– ∆ G = + 686 kcal / mol.

• Fotosintesis sangatlah endergonik, melalui

absorpsi energi cahaya.

Reaksi dalam sel hidup ada 5 kategori umum:

(1) Reaksi yang membuat dan memotong ikatankarbon dan karbon;

(2) Penyusunan ulang secara internal, isomerisasi, dan eliminisasi

(3) Reaksi free-radical;

(4) Transfer grup

(5) Oksidasi -reduksi

ATP dan Energi

Energi yang dilepaskan dari hasil oksidasi makanan digunakan untuk membentuk suatu senyawa, yaitu Adenosin trifosfat (ATP)

ATP merupakan senyawa berenergi tinggi yang akan mentransfer salah satu gugus fosfat-nya ke dalam air ketika mengalami hidrolisis

Pemecahan satu gugus fosfat akan melepaskan energi sebesar 7.3 kkal/mol atau 31 kJ/mol ATP

Produk yang dihasilkannya adalah berupa adenosin difosfat (ADP) dan ion hidrogen fosfat (HPO4

2-) atau disebut fosfat anorganik, Pi

ATP

ATP mengalami hidrolisis

menghasilkan AMP dan ADP

Energi dari hidrolisis ATP digunakan untuk konstraksi

otot, pergerakan senyawa melewati membran

sel, pengiriman sinyal syaraf, dan sintesis enzim

Dalam sel yang sedang bekerja (proses

anaerobik), sebanyak 1-2 juta ATP dihidrolisis setiap

detiknya. Jumlah ATP yang dihidrolisis setiap harinya

bisa mencapai seberat tubuh kita

Ketika kita makan, hasil dari reaksi katabolik akan

menyediakan energi untuk pembentukan ATP yang

dibentuk dari ADP dan Pi dengan energi sebesar 7,3

kkal/mol (31 kJ/mol)

ATP sebagai molekul penyimpan energi, menghubungkan reaksi yang

menghasilkan energi dengan reaksi yang memerlukan energi

Pada beberapa jalur, ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat

(AMP) dan pirofosfat (PPi)

• ATP dan senyawa berenergi tinggi lainnya digandeng

dengan reaksi-reaksi metabolik dan proses-proses yang

memerlukan energi

• ATP sangat diperlukan tubuh karena ATP akan

menjalankan reaksi-reaksi yang memerlukan energi

• Sebagai contoh, glukosa dari karbohidrat harus

menambah gugus fosfat untuk memulai proses

pemecahannya dalam sel. Namun, untuk proses

penambahan gugus fosfat ke glukosa diperlukan 3,3 kkal

(14 kJ)/mol yang berarti reaksi tidak akan spontan

terjadi dalam sel

• Dengan menggandeng reaksi hidrolisis ATP maka reaksi

bisa berjalan karena energi hasil hidrolisis mampu

mendorong reaksi yang memerlukan energi

Redoks pada Metabolisme

• NAD+ mengumpulkan elektron yang

dilepas saat katabolisme

• Katabolism: oxidative – substrat

kehilangan elektron

• Anabolism reductive - NADPH memberi

elektron

Reaksi Oksidasi – Reduksi dalam sel hidup

Lehninger, pp. 507-516

Transfer elektron dalam metabolisme sama pentingnya

dengan transfer grup fosforil

„LEO says GERLose Electrons = Oxidation

Gain Electrons = Reduction

Elektron mengalir dari zat perantara ke:

Karier elektron

Aseptor dg afinitas elektron yang lebih tinggi

The „Energy transducers‟ (NADH, NADPH, FAD, FMN)

konversi energi aliran elektron menjadi fungsi/kerja

metabolik.

Consider living cells to be a biological circuit, and glucose as a source of electrons (glucose + O2) to ultimately provide energy for ATP synthesis that in turn drives biological processes (flagellar motion, muscle contraction …)

Can the Energy Harnessed be Measured?

Electromotive force (emf): force proportional to the difference in electron affinity of the chemical compounds i.e. emf can accomplish work

Bagaiman aliran elektron dapat menghasilkan suatu kerja biologik?

Lehninger, pp. 507-516

Karier Elektron

• Fotosintesis

– NADP + H NADPH

• Respirasi

– NAD + H NADH

– FAD + H FADH

• Mengandung Niasin dan Riboflavin

– Vitamin (tidak stabil)

– Molekul ini tidak dapat disimpan

Peran Koenzim dalam Alur Metabolisme

• Oksidasi merupakan suatu proses kehilangan atom

hidrogen dan elektron oleh suatu senyawa, atau

dicirikan dengan terjadinya penambahan atom oksigen

• Reduksi merupakan perolehan atom hidrogen dan

elektron atau terjadinya penurunan atom oksigen

• Ketika enzim mengkatalis reaksi oksidasi, ion H+ akan

dilepaskan dari substrat dan elektron 2e- akan ditangkap

oleh koenzim untuk reaksi reduksi

NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) merupakan koenzim

yang penting dimana vitamin niasin akan menyediakan gugus

nikotinamid yang terikat pada ADP

FAD + 2H+ + 2e- FADH2

FAD biasanya berpartisipasi dalam proses oksidasi dan

menghasilkan ikatan ganda c=c

FAD (Flavine adenine dinucleotide) adalah koenzim

yang berasal dari ADP dan riboflavin (Vitamin B2)

yang tereduksi menjadi FADH2

Koenzim A disusun oleh komponen-komponen: asam pantotenat (Vit B3), ADP, dan aminoetanetiol

Fungsinya adalah mengaktivasi gugus asil terutama gugus asetil yang selanjutnya akan ditransfer dengan mudah ke substrat yang lain