BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 1

B I O K I M I AB I O K I M I AB I O K I M I AB I O K I M I A

b y

PujiPujiPujiPuji ArdiningsihArdiningsihArdiningsihArdiningsih

PROGRAM STUDI FARMASI FAD 182, 2 SKS

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 2

PENGANTAR BIOKIMIA

SUB POKOK BAHASAN 1. RUANG LINGKUP BIOKIMIA 2. MATRIKS KEHIDUPAN 3. SEL DAN BIOENERGITIKA 4. IKATAN DAN BIOMOLEKUL

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 3

B I O K I M I A

Mempelajari STRUKTUR, ORGANISASI, dan FUNGSI LIVING MATTER dalambentuk molekuler (kehidupan dalamtingkat molekuler)

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 4

B I O K I M I A, mempelajari B A G A I M A N A?

STRUKTUR KIMIA komponen benda hidup & interaksinya membentukstruktur supramolekuler, sel, jaringan multiseluler & organisme

EKSTRAK ENERGI dr lingkungan untuk mempertahankan kehidupan

MENYIMPAN & MENTRANSMISIKAN INFORMASI untukpertumbuhan & replikasi

PERUBAHAN KIMIA selama proses reproduksi, penuaan, kematiansel/organisme

KONTROL REAKSI-REAKSI kimia dalam sel

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 5

PRINSIP AREA BIOKIMIA

Struktur kimia komponen benda hidupberkaitan dg fungsi biologisnya

Metabolisme

Genetika molekular

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 6

Gbr.Interweaving of the historical traditions of biochemistry, cell biology, and genetics

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 7

Biokimia sebagai Interdisiplin & Disiplin IlmuAN INTERDISCIPLINARY SCIENCE Organic chemistry Biophysics Medical Nutrition Microbiology Cell Biology Physiology Genetics

A DISTINCT DISCIPLINE Structure & Reaction biomolecules (Enzyme) Elucidation of metabolic pathways & their control

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 8

KEGUNAAN BIOKIMIA

Agriculture Medicine Nutrition Clinical Chemistry Pharmacology Toxicology

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 9

APLIKASI BIOKIMIA DALAM BIDANG MEDIS

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 10

ELEMEN KIMIA UTAMA BENDA HIDUP

OKSIGEN

HIDROGEN

NITROGEN

KARBON

BIOMOLEKUL adalah SENYAWA KARBON.Kemampuan atom C membentuk ikatan kovalen yang stabil, denganberbagai jenis struktur rantai linier, bercabang, siklik dan kombinasinyauntuk membentuk kerangka berbagai variasi molekul organik

Gambar 2 & tabel 1

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 11

Gbr: Composition of the universe, the earth's crust, and the human body.

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 12

Tabel. 1 Elemen yang ditemukan dalam organisme

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 13

BIOMOLEKUL UTAMA SEL

PROTEIN , polipeptida : enzim, struktural sel, transport, nutrien, kontraktil.

KARBOHIDRAT, polisakarida : penyimpan bahan bakar & struktural luar sel

LIPID : struktural membran & bahan bakar kaya energi

ASAM NUKLEAT atau polinukleotida : penyimpanan, transmisi, translasi informasi genetik

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 14

KARAKTERISTIK BIOMOLEKUL ORGANIK

Bentuk & ukuran spesifik; susunan tetrahedral (109,5o)

Kebebasan rotasi ikatan tunggal C (kecuali adagugus besar/bermuatan)

Panjang ikatan khas, rata-rata panjang ikatantunggal C-C 0,154 nm & C=C 0,134nm

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 15

Asimetrik

Konformasi tiga dimensibiomolekul penting dalambiokimia. Contoh: Reaksi enzim & substrat, pengikatan hormondengan reseptor

Gugus fungsional biomolekulmenentukan sifat reaktivitaskimiawi molekul (distribusielektron & geometris atom tetangga)

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 16

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 17

PROTEIN : 20 asam amino

ASAM NUKLEAT: 8 nukleotida (4 macam pembentukDNA & 4 jenis lainnya RNA)

KARBOHIDRAT: glukosa

LIPID: gliserol dengan asam lemak. (glikolipid, glikoprotein

UNIT PEMBENTUK MAKROMOLEKULUNIT PEMBENTUK MAKROMOLEKUL

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 18

Gambar. Tingkatan struktural dalam organisasi molekular sel

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 19

S E L

Unit struktural dan fungsional organisme hidup

Sel bakteri 1-2 m, organisme tingkat tinggi (5-10 kali) ukuran sel bakteri

MENGAPA ukuran sel berukuran KECIL ?Nisbah optimum luas permukaan terhadap volume.

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 20

Fig: How the surface/volume ratio depends on size.

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 21

Bagimana ukuran sel kedua jenisBinatang ini?

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 22

PROKARIOT

1.Uniseluler, bakteri2.Sel terkecil dan sederhana, 0.2 - 5m3.Kompartemensasi internal tidak ada4.Reproduksi aseksual

EUKARIOT

1.Multiseluler, tumb, hewan,fungi alga,2.10-50 m3.Kompartemensasi, dg beberapa organel4.Inti sel terbentuk dengan baik, dikelilingi membran danstruktur internal

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 23

Fig. Distribution of biomolecules in a cell

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 24

AIR

SENYAWA BERLIMPAH DALAM SISTEM HIDUP (70%)

MEDIUM TRANSPORT NUTRIEN & ENERGI KIMIA

REAKSI ENZIMATIS METABOLISME

Struktur & fungsi sel beradaptasi dengan sifat fisik & kimia Air. Air & produk ionisasinya mempengaruhi sifat penting komponen sel

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 25

AIR DALAM PROSES BIOLOGI

1. STRUKTUR DAN SIFAT AIR

Mengapa Panas penguapan, titik didih, titik lebur AIR lebihtinggi dari pada senyawa lain ?

Interaksi elektrosatik (ikatan hidrogen)Dua molekul air tertarik satu sama lain oleh gaya elektrostatikdiantara muatan atom O dari satu molekul air denganmuatan + atom H dari molekul air lain. Gbr 7

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 26

SIFAT AIR & BEBERAPA SENYAWA LAIN DENGAN BERAT MOLEKUL RENDAH

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 27

2. AIR SEBAGAI PELARUTPelarut istimewa karena potensial membentuk ikatan H & sifatdipolar molekul air

Kelompok senyawa yang larut dalam Air:

a. Senyawa dg gugus POLARMolekul yang memiliki gugus fungsional yang dapat membentukikatan H dengan air (hidroksil, amina, sulfidril, ester, keton) ataumolekul yang mempunyai ikatan H internal seperti -helix protein yang larut dalam air.

b.Senyawa IONIKNaCl, molekul dipolar air tertarik kuat kepada ion Na+ & Cl-, danmenarik keluar dari kristal membentuk hidrat ion Na+ & Cl- dalam larutan.

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 28

c. MOLEKUL AMFIPATIK

Senyawa yang mempunyaigugus hidrofilik & hidrofobik. Contoh asam lemak

Senyawa ini terdispersidalam air membentuk misel, gugus hidrofilik (kepala polar) berinteraksi dengan molekulair & gugus hidrofobik (ekornonpolar) sembunyi di dalamstruktur

Molekul amfipatik merupakandasar membran bilayerbiologi.

Molekul amfipatik,dg kepala hidrofilikyang terikat pada ekor hidrofobik

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 29

Gbr.Molekul amfipatik, yang mempunyai kepala hidrofilik yang terikatpada ekor hidrofobik

Phospholipids and membrane Phospholipids and membrane structure.structure.

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 30

Solut mempengaruhi sistem larutan berair Titik beku, titik didih, tekanan uap, osmotik

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 31

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 32

KESEIMBANGAN IONIK

Air adalah molekul essensial netral, yang hanyasedikit cenderung terdisosiasi:

H2O + H2O H3O+ + OH-

Berperan sebagai asam (proton donor) dan basa(proton acceptor) yang dikenal autoionisasi air.

Autoionisasi air disederhanakan seperti sbb:H2O H+ + OH

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 33

GBR.SKALA PH & RANGE PH BIOLOGIS

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 34

Buffer Buffer Buffer Buffer BiologiBiologiBiologiBiologi PentingPentingPentingPenting1.SISTEM FOSFAT . Cairan intraseluler terdiri pasangan asam-basa konjugat,

H2PO4- (donor proton) & HPO42- (akseptor proton)

H2PO4- H+ + HPO42-

Efektivitas sistem buffer ini mendekati pH 6.86, kapasitas buffernya efektifdalam cairan intraseluler (pH 6.9-7.4)

2. SISTEM BIKARBONAT DALAM PLASMA DARAHH2CO3 H+ + HCO3-

donor proton akseptor proton

pH plasma darah dipertahankan pada 7.4Asidosis (penderita DM) pH darah 6.8 (5.10-8M) menyebabkan kematian.

Mekanisme molekuler ???. Aktivitas katalitik enzim

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 35

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 36

INTERAKSI NON KOVALEN

Interaksi non kovalen penting dalam sistem biologi

Makromolekul yang berpartisipasi dalam struktural & matriksfungsional hidup melibatkan ikatan kovalen & non kovalen.

CONTOH:

Protein, struktur primer terdiri dari polimer as. amino yang terikatsecara kovalen, namun folding dalam konformasi molekular spesifik(struktur tiga dimensi ) melalui ikatan non kovalen Gbr1

DNA: terdiri 2 intertwined rantai polinukleotida. Atom-atom dalamsetiap nukleotida terikat secara covalent. Namun dua rantaipolinukleotida berinteraksi melalui ikatan Hidrogen noncovalen

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 37

GBR Empat tingkatan struktur protein

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 38

1. Interaksi muatan-muatan2. Interaksi Dipole3. Ikatan Hidrogen4. Gaya Vanderwals

Sifat interaksi nonkovalen

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 39

BIOENERGITIKA : bagian biokimia yang berkaitandg transformasi, penggunaan energi oleh sel hidup.

Sel hidup membutuhkan energi untuk mensintesasenyawa-senyawa baru, kerja mekanik, transport kimia, & menghasilkan panas

Sel sebagai model pengembangan alat pengubahenergi

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 40

PERUBAHAN ENERGI BEBAS, PANAS, ENTROPI DLM REAKSI KIMIA PADA SUHU & TEKANAN TETAP MERUPAKAN KONDISI DALAM SISTEM BIOLOGI

G = H- T S

G = perubahan energi bebas pada sistem yang sedang bereaksi H = perubahan dalam kandungan panas sistem / EntalpiS = perubahan dalam entropi semestaT = suhu absolut

BERSAMAAN PENINGKATAN ENTROPI SEMESTA SELAMA REAKSI, TERDAPAT PENURUNAN ENERGI BEBAS SISTEM SEHINGGA G SISTEM YANG BEREAKSI BERTANDA NEGATIF

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 41

CIRI PENTING PERUBAHAN ENTROPI SISTEM BIOLOGIS

ORGANISME HIDUP TIDAK MENGALAMI PENINGKATAN ENTROPI.Organisme mempertahankan keteraturan internal dengan mengekstrakenergi bebas dari nutrien yang berasal dari lingkungan & mengembalikan- nya ke lingkungan dalam bentuk yang kurang berguna(terutama dalam bentuk panas)

CONTOHSeekor lalat (sistem) mempertahankan strukturnya yang kompleks ketikamelangsungkan metabolisme nutrien.Namun lingkungan organisme hidup mengalami peningkatan entropi(berasal dari pembebasan panas & ketidakteraturan lain/oksidasiglukosa)

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 42

SEL MEMBUTUHKAN ENERGI BEBAS

SEL HIDUP TIDAK DAPAT MEMANFAATKAN ENERGI PANAS SECARA BERARTI, PANAS HANYA DIGUNAKAN UNTUK MEMPERTAHANKAN SUHU OPTIMUM UNTUK AKTIVITASNYA.

BENTUK ENERGI YANG BERGUNA ADALAH ENERGI BEBAS YANG DAPAT MELAKUKAN KERJA PADA SUHU DAN TEKANAN TETAP

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 43

SENYAWA FOSFAT BERENERGI TINGGI : SUMBER ENERGI BEBAS DALAM SISTEM BIOLOGI

ATP (Adenosin Trifosfat) PEMBAWA ENERGI KIMIA UTAMA DIANTARA AKTIVITAS SEL PENGHASIL

ENERGI & AKTIVITAS SEL YANG MEMBUTUHKAN ENERGI.

SEL MEMPEROLEH ENERGI BEBAS DALAM BENTUK KIMIA DARI KATABOLISME NUTRIEN GBR 3.1

FUNGSI ENERGI

MENSINTESA BIOMOLEKUL DARI MOLEKUL PEMULA YANG LEBIH KECIL MENJALANKAN KERJA MEKANIK/PERGERAKAN MELAKUKAN TRANSPORT BIOMOLEKUL/ION MELALUI MEMBRAN MENUJU

DAERAH KONSENTRASI TINGGI

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 44

GAMBAR 3.1 SIKLUS ATP DALAM SEL

CO2 ATP

Oksidasi Biosintesa transport aktif Kontraksi emindahanmolekul (osmosis ) otot informasi genetiknutrien

O2 ADP + Pi

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 45

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 46

ATP SEBAGAI SENYAWA FOSFAT BERENERGI TINGGI

ATP + H2O ADP + Pi, Go= -7,3 Kkal/molatau -31 KJ/mol

Glukosa-6-P + H2O Glukosa + HPO42-, Go= -3,3 Kkal/mol

MENGAPA ATP MEMILIKI ENERGI BEBAS HIDROLISIS BAKU YANG TINGGI ?

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 47

1. DERAJAT IONISASI ATP & PRODUK HIDROLISISNYA.

Pada pH=7, ATP mengion sempurna sebagai ATP 4-.

ATP4- + H2O ADP3- + HPO42- + H+

Pada keadaan baku ATP4- , ADP3- & HPO42- pada konsentrasi1,0M, namun pada pH 7 (pH baku perhitungan Go ) konsentrasiH+ hanya 10-7 M jauh lebih kecil dari 1M, sehinggakesetimbangan hidrolisis ATP cenderung jauh ke kanan.

* HPO4- (ortofosfat ) atau Pi

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 48

2. GAYA TOLAK MENOLAK DIANTARA PRODUK HIDROLISIS

Pada pH 7, molekul ATP memiliki empat muatan negatif (tolak menolak). Produkhidrolisis (ADP3- & HPO42- ) sedikit cenderung bergabung & bereaksi membentukATP kembali. Sebaliknya untuk produk hidrolisis glukosa-6-P

3. STABILISASI RESONANSI /TAUTOMERISASI PRODUK HIDROLISISNilai Go hidrolisis ATP bersifat sangat negatif karena produk ADP3- & HPO42-

merupakan hibrid resonansi (bentuk stabil dengan elektron tertentu yang memiliki jauh lebih sedikit energi dibandingkan dalam molekul ATP) Gbr 3.3. Ion Ortofosfat HPO42 meningkatkan entropi sistem & favorit

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 49

Gbr. stabilisasi Resonansi orthophosphate, HPO42- (Pi).

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 50

ATP BERFUNGSI MENGAKTIFKAN TRANSPORT AKTIF MEMBRAN

ATP digunakan untuk melakukan KERJA KONSENTRASI yaitukerja untuk mengangkut ion/molekul melalui membran ke dalamruang lain dengan konsentrasi yang lebih tinggi

Contoh. Transport 1 mol glukosa dari medium dengan konsentrasi1 mM menuju kompartemen lain dengan konsentrasi 100mM.

G = 2,303 RT log C2/C1G = 2,30 (1,98)(298) log 0,1/0,001

= 2720 kkal/mol= 2,72 kkal/mol

Contoh lain gradien terbesar di dalam tubuh adalah membran plasma sel parietal pada dinding lambung,. Konsentrasi HCl lambung 0,1 M (pH 1) & konsentrasi H+ dalam sel 10-7 (pH 7).

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 51

ATP BERFUNGSI MENGAKTIFKAN TRANSPORT AKTIF MEMBRAN

BIOKIMIA PRODI FARMASI 2009/2010 52