Pertemuan 3_Dasar-dasar Bioenergetika dan Metabolisme.pptx

Dasar-dasar bioenergetika sel

1. Bioenergetika: Aliran Energi dalam Sistem Kehidupan Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu yang mempelajari perubahan energi dalam reaksi biokimia dan bagaimana energi mengalir di dalam sistem hidup. Sistem biologis bersuhu relatif konstan (isotermik), sehingga energi untuk menjalankan proses kehidupan diperoleh dari energi kimia makanan .

2. Masalah Energi dalam Kehidupan Kelaparan (Starvation) Jika cadangan energi tubuh habis, dapat menyebabkan kematian karena sel tidak dapat menjalankan fungsi vitalnya. Malnutrisi Terjadi ketidakseimbangan energi dimana energi yang masuk terlalu sedikit dibanding kebutuhan tubuh, seperti pada kasus marasmus. Gangguan Hormon Tiroid Mengatur kecepatan metabolisme. Gangguan dapat menyebabkan metabolisme abnormal dan obesitas yang meningkatkan risiko penyakit kronis.

3. Termodinamika Metabolisme Katabolisme Melepaskan Energi Proses pemecahan molekul besar menjadi molekul kecil. Contoh : glukosa → CO₂ + H₂O + energi (ATP). Hasil utama adalah energi yang dapat digunakan sel untuk aktivitas. Anabolisme Memerlukan Energi Proses pembentukan molekul besar dari molekul kecil. Contoh: sintesis protein dari asam amino, pembentukan glikogen dari glukosa. Membutuhkan energi input dari ATP.

4. Energi Bebas Gibbs (ΔG) Energi yang dapat digunakan dalam reaksi biokimia disebut Gibbs Free Energy. ΔG dihitung dari selisih energi antara produk dan reaktan: ΔG < 0 Reaksi melepaskan energi (spontan). Contoh: katabolisme glukosa. ΔG > 0 Reaksi memerlukan energi (tidak spontan). Contoh: sintesis protein. How do we define amount of energy?

5. Energi Bebas: Energi Berguna dalam Sistem Free energy adalah energi yang benar-benar dapat digunakan sel untuk melakukan kerja seperti kontraksi otot, transport zat, dan sintesis molekul. Gibbs Free Energy (ΔG) Mengukur energi yang dapat digunakan untuk kerja pada suhu dan tekanan konstan. Enthalpy (H) Menunjukkan jumlah energi panas dalam sistem, mencerminkan ikatan kimia dalam reaktan dan produk . Entropy (S) Ukuran tingkat ketidakteraturan sistem. Organisme hidup menjaga keteraturan dengan menggunakan energi. ΔH negatif ( melepaskan panas / energi ). ΔH positif ( menyerap panas / energi ). ΔS positif ( meningkatkan keteracakan ), ΔS negatif ( menurunkan keteracakan ), Secara matematis : ΔG = ΔH – TΔS ΔG < 0 ( Reaksi Spontan) ΔG < 0 ( Reaksi tidak Spontan)  Butuh energi

6. Contoh: Pemecahan Glukosa Reaksi respirasi seluler: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energi (ATP + panas) 01 Enthalpy (ΔH) Glukosa memiliki ikatan kimia kaya energi. Saat dipecah menjadi CO₂ dan H₂O, energi dilepaskan. ΔH negatif (melepaskan panas). 02 Entropy (ΔS) Reaktan: 1 glukosa + 6 O₂. Produk: 6 CO₂ + 6 H₂O. Jumlah partikel bertambah, sistem lebih acak. ΔS positif. 03 Gibbs Free Energy (ΔG) ΔH negatif dan ΔS positif menghasilkan ΔG negatif . Reaksi spontan, menghasilkan ~30+ molekul ATP per glukosa.

7. Contoh: Sintesis Protein Reaksi anabolisme: Asam amino → Protein 1 Enthalpy (ΔH) Membentuk banyak ikatan kimia baru dalam rantai protein membutuhkan energi. ΔH positif. 2 Entropy (ΔS) Asam amino bebas lebih acak, protein terstruktur lebih teratur. ΔS negatif (entropi berkurang). 3 Gibbs Free Energy (ΔG) ΔH positif dan ΔS negatif menghasilkan ΔG positif. Reaksi tidak spontan, butuh energi ATP.

8. Hukum Pertama Termodinamika Energi Tidak Dapat Diciptakan atau Dimusnahkan Jumlah total energi dalam sistem dan lingkungannya adalah konstan. Dalam konteks biologi, energi hanya berubah bentuk dan berpindah tempat. Energi Kimia Dari makanan (glukosa, lemak, protein) Energi Panas Untuk menjaga suhu tubuh Energi Listrik Aktivitas neuron dan impuls saraf Energi Mekanik Gerakan dan kontraksi otot

9. Hukum Kedua Termodinamika Entropi total sistem akan selalu meningkat jika proses berlangsung spontan. Alam semesta cenderung bergerak ke arah kekacauan, bukan keteraturan. Persamaan ini menggabungkan Hukum Pertama (energi konstan) dan Hukum Kedua (entropi meningkat). ΔG Negatif Reaksi spontan, melepaskan energi. Contoh: pemecahan glukosa menghasilkan ATP. ΔG Positif Reaksi tidak spontan, butuh energi tambahan. Contoh: sintesis protein memerlukan ATP. ΔH dan ΔS berperan dalam menentukan spontanitas : ΔH negatif ( melepaskan panas ) + ΔS positif ( meningkatkan entropi ) → reaksi sangat spontan . ΔH positif + ΔS negatif → reaksi tidak akan spontan .

10. Reaksi Eksorgenik dan Endorgenik Reaksi Eksorgenik Melepaskan energi untuk kerja Terjadi spontan ΔG negatif Contoh: respirasi seluler Reaksi Endorgenik Membutuhkan energi tambahan Tidak spontan ΔG positif Contoh: sintesis protein Ciri utama : Tidak butuh energi tambahan untuk dimulai ( cukup energi aktivasi ). Reaksi ini penting dalam biologi karena bisa menghasilkan energi untuk kerja sel. Banyak terdapat pada reaksi katabolisme ( pemecahan molekul kompleks → sederhana ). Contoh paling jelas : respirasi seluler ( glukosa → CO₂ + H₂O + energi /ATP). Ciri utama : Sel harus memasukkan energi ( misalnya dari ATP, cahaya matahari , dll .). Banyak terjadi pada reaksi anabolisme ( membentuk molekul kompleks dari molekul sederhana ). Contoh : fotosintesis , sintesis DNA , sintesis protein

11. Contoh Reaksi dalam Sistem Biologis Respirasi Seluler (Eksorgenik) C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP Glukosa dipecah menjadi karbon dioksida dan air. Energi kimia dilepaskan dan disimpan dalam ATP untuk kerja sel. Sintesis Protein (Endorgenik) Asam amino → Protein Menggabungkan asam amino untuk membentuk protein membutuhkan energi yang disuplai oleh ATP atau GTP.

12. Interpretasi Nilai ΔG < 0 ΔG Negatif Reaksi spontan, eksorgenik. Dapat berlangsung hampir sampai habis jika nilai sangat negatif. > 0 ΔG Positif Reaksi tidak spontan, endorgenik. Butuh energi tambahan untuk berlangsung. = 0 ΔG Nol Sistem dalam keseimbangan. Laju reaksi maju sama dengan laju reaksi mundur.

13. Kopling Reaksi Endorgenik dengan Eksorgenik Reaksi endorgenik dapat berlangsung dengan memasangkan ( coupling ) dengan reaksi eksorgenik yang melepaskan energi. Katabolisme Reaksi eksorgenik - pemecahan molekul besar menjadi kecil. Menghasilkan energi. Anabolisme Reaksi endorgenik - sintesis molekul kompleks dari sederhana. Membutuhkan energi. Metabolisme = Katabolisme + Anabolisme Misalnya : pemecahan ATP ( eksorgon ) dipakai untuk pompa ion Na⁺/K⁺ ( endergonik ) .

14. Sumber Energi Bebas untuk Organisme Semua organisme membutuhkan energi bebas untuk menjalankan reaksi biologis. Energi ini diperoleh dari lingkungan dengan cara berbeda. Autotrof Heterotrof Heterotrof = organisme yang tidak bisa membuat makanannya sendiri , sehingga bergantung pada senyawa organik kompleks dari lingkungan ( misalnya hewan , manusia , banyak bakteri , jamur ). Energi diperoleh dengan menguraikan ( katabolisme ) molekul organik kompleks seperti karbohidrat , lemak, protein → menjadi sederhana . Proses ini melepaskan energi ( eksorgon ) yang kemudian bisa digunakan untuk menjalankan proses endergon (yang butuh energi ), misalnya sintesis protein, transport aktif , kontraksi otot . Autotrof = organisme yang bisa membuat makanannya sendiri . Mereka memanfaatkan proses eksorgon sederhana untuk memperoleh energi . Contoh : Tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari ( fotosintesis ). Beberapa bakteri kemoautotrof menggunakan reaksi oksidasi sederhana , misalnya Fe²⁺ → Fe³⁺ untuk menghasilkan energi

15. ATP: Mata Uang Energi Universal ATP (Adenosine Triphosphate) bertindak sebagai perantara energi bebas , menghubungkan reaksi eksorgenik dengan endorgenik. Pemecahan Glukosa Reaksi eksorgenik menghasilkan energi Pembentukan ATP Energi disimpan dalam ikatan fosfat Sintesis Biomolekul ATP menyediakan energi untuk anabolisme Hidrolisis ATP ATP → ADP + Pi + energi

16. Struktur ATP, ADP, dan AMP Adenosin nukleotida memiliki jumlah gugus fosfat berenergi tinggi yang berbeda, menentukan kapasitas penyimpanan energinya. ATP Adenosine Triphosphate - memiliki dua gugus fosfat berenergi tinggi (~P) pada ikatan anhidrid fosfat. ADP Adenosine Diphosphate - memiliki satu gugus fosfat berenergi tinggi (~P). AMP Adenosine Monophosphate - fosfatnya berupa ikatan ester biasa (energi rendah).

17. Klasifikasi Fosfat Berdasarkan Energi ATP berfungsi sebagai pembatas antara fosfat berenergi rendah dan tinggi berdasarkan nilai ΔG°′ hidrolisisnya. Fosfat Berenergi Rendah ΔG°′ lebih kecil dari ATP. Contoh: glukosa-6-fosfat, gliseraldehida-3-fosfat. ATP (Standar) Berada di posisi tengah tangga energi fosfat, ideal sebagai mata uang energi. Fosfat Berenergi Tinggi ΔG°′ lebih besar dari ATP. Contoh: PEP, kreatin fosfat, arginin fosfat.

18. Senyawa Fosfat Berenergi Tinggi Simbol (~E) menunjukkan senyawa dengan ikatan fosfat berenergi tinggi yang menyimpan energi sementara sebelum digunakan untuk reaksi seluler. ATP Adenosine Triphosphate - mata uang energi utama sel GTP Guanosine Triphosphate - untuk sintesis protein PEP Fosfoenolpiruvat - energi tinggi dalam glikolisis Kreatin Fosfat Penyimpan energi di otot rangka

19. ATP berada di posisi tengah pada tangga energi fosfat . Senyawa dengan energi lebih tinggi (PEP, creatine phosphate) bisa mendonasikan fosfat ke ATP . Senyawa dengan energi lebih rendah (glukosa-6-fosfat, glycerol phosphate) bisa menerima fosfat dari ATP . Karena itu , ATP menjadi “ mata uang energi ” universal → fleksibel dalam memberi dan menerima energi .

20. Tiga Sumber Utama Fosfat Berenergi Tinggi 01 Fosforilasi Oksidatif Terjadi di mitokondria. Menghasilkan ATP dari energi elektron (NADH, FADH₂) melalui rantai transpor elektron dan gradien proton. 02 Glikolisis Jalur pemecahan glukosa di sitoplasma. Menghasilkan ATP melalui substrate-level phosphorylation dari fosfoenolpiruvat. 03 Siklus Asam Sitrat Terjadi di mitokondria. Menghasilkan GTP/ATP serta reduksi koenzim (NADH, FADH₂) untuk fosforilasi oksidatif.

21. Energy Charge: Sinyal Status Energi Sel Sel mengukur status energinya melalui rasio ATP/ADP untuk menentukan apakah perlu menghasilkan atau menggunakan energi. 75% ATP Tinggi Energi cukup, sel dapat melakukan kerja (kontraksi otot, transpor, sintesis) 25% ADP Tinggi Energi menurun, sel harus menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif ATP juga berperan dalam kopling reaksi - menyumbangkan energi agar reaksi tidak spontan (ΔG positif) dapat berlangsung.

22. Reaksi Oksidasi-Reduksi Biologis Transfer elektron memainkan peran penting dalam aliran energi sel. Oksidasi adalah pelepasan elektron, reduksi adalah penerimaan elektron. NAD⁺/NADH Koenzim utama dalam katabolisme (glikolisis, siklus Krebs). Membawa elektron berenergi tinggi. NADP⁺/NADPH Koenzim utama dalam anabolisme dan fotosintesis. Menyediakan elektron untuk biosintesis. FAD/FADH₂ Terlibat dalam reaksi dehidrogenasi di siklus Krebs dan rantai transpor elektron.

23. Metabolisme Primer dan Sekunder Metabolit Primer Esensial untuk pertumbuhan, perkembangan, dan fungsi dasar sel. Karbohidrat Protein Lipid Asam nukleat Metabolit Sekunder Untuk pertahanan, interaksi ekologi, dan adaptasi lingkungan. Alkaloid (morfina, nikotin) Terpenoid (menthol) Flavonoid (antioksidan)

24. Integrasi Metabolisme dalam Kehidupan Metabolisme primer dan sekunder terintegrasi untuk mendukung kelangsungan hidup dan adaptasi organisme terhadap lingkungan. Prekursor Metabolit primer dapat diubah menjadi metabolit sekunder Energi Metabolisme primer menyuplai energi dan bahan dasar Pertahanan Metabolisme sekunder menambah nilai fungsional Bioteknologi Produksi obat, antibiotik, dan pestisida alami Ekologi Interaksi organisme dengan lingkungan Contoh: fenilalanin (primer) → flavonoid (sekunder)