BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mahluk hidup, baik tumbuhan, hewan maupun manusia terdiri atas unit-unit kecil yang disebut sel. Selama mahluk itu masih hidup banyak sekali proses atau perubahan yang terjadi di dalam sel. Fenomena kehidupan yang ditandai oleh adanya pertumbuhan dan refroduksi serta hal-hal yang berkaitan, merupakan ruang lingkup biologi dan ilmu-ilmu yang relevan. Energi merupakan materi yang sangat melimpah di alam yang sangat dibutuhkan oleh manusia. Energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan tetapi dapat diubah bentuk dan kegunaannya. Di dalam ilmu sains, energi dibagi menjadi tiga kelompok yaitu Biologis, Fisika dan Kimia.Bioproses adalah cabang ilmu keteknikan yang berkaitan dengan reaksi yang menggunakan bagian hidup atau tidak hidup dari sistem biologis. Dalam bioproses salah satu elemen penting adalah terjadinya perubahan energi akibat reaksi biokimia yang terjadi dalam proses metabolisme. Reaksi yang terjadi dalam sistemm biologis memiliki sifat yang berbeda dengan reaksi yang terjadi secara kimia. Meskipun begitu kedua reaksi tersebut memiliki kajian yang sama dalam konteks perpindahan energi. Perpindahan energi dalam reaksi jenis apapun merupakan pembahasan dari ilmu termodinamika. Ilmu termodinamika mengkaji tentang berbagai aspek dalam perubahan energi ke dalam berbagai bentuk. Didalam ilmu termodinamika, reaksi biologis memiliki pembahasan tersendiri yang dikenal dengan nama bioenergetika.Bioenergetika atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain tidak. Sejumlah sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk melaksanakan kerjanya, namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen. Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel. Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebasdengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme anaerob.

1.2 Rumusan Masalah1.2.1 Bagaimanakah konsep dari Bioenergitika atau termodinamika kimia?1.2.2 Bagaimanakah proses dari rantai pernafasan?

1.3 Tujuan Penulisan1.3.1 Untuk mengetahui konsep dari Bioenergitika atau termodinamika kimia.1.3.2 Untuk mengetahui proses dari rantai pernafasan.

1.4 Manfaat PenulisanMahasiswa mampu memahami tentang konsep dari bioenergitika dan proses terjadinya rantai pernafasan.

1.5 Metode PenulisanKami menggunakan dua metode penulisan yaitu dengan studi pustaka dan penelusuran IT. Pada metode studi pustaka, kami membaca dan menganalisis beberapa literature kemudian kami menggunakan refrensi tersebut pada tulisan ini. Selanjutnya pada metode penelusuran IT, kami mencari tambahan refrensi pada dunia rambah internet untuk melengkapi data-data yang telah kami peroleh pada literature.

BAB IIPEMBAHASAN2.1 Pengertian BioenergiktikaBioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reaksi bergerak dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yanng lebih rendah. Sebagian besar energi dilepaskan dalam bentuk panas. Pada sistem nonbiologik dapat menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya dan dapat diubah menjadi energi mekanik atau energi listrik. Sedangkan pada sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.2.2 Definisi Energi Bebas dan KesetimbanganEnergi bebas adalah jumlah maksimum energi yang dibebaskan pada suatu proses yang terjadi pada suhu tetap dan tekanan bebas. Perubahan pada energi bebas merupakan bagian dari perubahan energi total pada sistem yang dapat melakukan pekerjaan, yaitu energi yang berguna dan dkenal dalam berbagai sistem kimia sebagai potensian kimia. Energi bebas dilambangkan dengan G. Sedangkan, kesetimbangan adalah dua reaksi yang terjadi pada kecepatan yang sama dan tidak ada lagi perubahan konsentrasi.Perubahan Energi Bebas G menunjukkan energi maksimum yang tersedia untuk melakukan kerja. Dalam hal ini, berguna bila sistem berubah dari suatu keadaan menjadi suatu keadaan lain. Selama proses berlangsung, kemampuan kerja yang diukur dengan G ini makin berkurang, lama kelamaan menjadi nol (G=0), yaitu pada kondisi kesetimbangan. Pada kondisi kesetimbangan ini tidak bisa melakukan kerja.a) Go < 0, reaksi berlangsung spontan dan berlanjut pada keadaan setimbang.b) Go = 0, reaksi pada kesetimbangan dinamik.c) Go > 0, reaksi spontan berlangsung pada arah yang berlawanan.

2.3 Hukum Atau Kaidah Termodinamika Dalam Sistem Biologika) Kaidah pertama termodinamika:Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpangan energi, yang berbunyi: Energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain. Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya.b) Kaidah kedua termodinamika:Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem (random). Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (?G) pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi (?S), diungkapkan dalam persamaan:G = HTS

Keterangan:H adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut. Di dalam kondisireaksi biokimia, mengingat H kurang lebih sama dengan E, yaitu perubahan total energiinternal di dalam reaksi, maka hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan:G = ETS

Jika G bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika G sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidakbisa membalik (irreversibel).Jika G bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika memperoleh energi bebas (reaksi endergonik). Bila G sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi. Bila G adalah nol, sistem berada dalam keseimbangandan tidak ada perubahan yang terjadi.Hukum Termodinamika Yang Lain1. Hukum ke nol termodinamika Jika ada dua buah sistem berkeseimbangantermal dengan suatu sistem ketiga berarti dua buah sistem itu berkeseimbangan termal satu sama lain.2. Hukum ketiga termodinamika Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. Sistem termodinamika adalah bagian darijagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:a) Sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.b) Sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan.Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya:c) Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.d) Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.c) Sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi.Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

2.4 Reaksi Eksergonik dan Reaksi EndergonikReaksi yang dapat berlangsung selalu menghasilkan energi bebas dan dinamakan reaksi eksergonik. Reaksi yang memerlukan energi bebas adalah reaksi endergonik, reaksi seperti ini tidak dapat berdiri sendiri. Reaksi-reaksi biologik biasanya merupakan gabungan reaksi eksergonik yang menghasilkan banyak energi bebas dengan reaksi endergonik yang memerlukan energi bebas. Tidak seluruh energi bebas reaksi eksergonik digunakan oleh reaksi endergonik, sebagian akan dilepaskan agar reaksi total masih bersifat eksergonik sehingga dapat tetap berlangsung.a) Eksergonik (menghasilkan energi)1. Oksidasi bahan bakar (karbohidrat, lemak, dan protein)2. Melepas panas3. Prosesnya disebut katabolisme4. Fotosisntesis (Katabolisme)5. Peragian6. Cth: Respirasib) Endergonik (membutuhkan energi)1. Gerakan-gerakan mekaniki2. Sintesis bahan sel3. Pembentukan gradien konsentrasi4. Penyimpanan bahan bakar5. Membutuhkan panas/energi6. Prosesnya disebut anabolisme7. Cth: sintesis, kontraksi otot, eksitasisaraf, transport aktif, dll.Gambar 1.1

2.5 Siklus Bioenergetika ATPSebagai sumber energi untuk metabolisme didalam sel berlangsung dengan suatu mekanisme mendaur. ATP berperan sebagai alat angkut energi kimia dalam reaksikatabolisme ke berbagai proses reaksi dalam sel yang membutuhkan energi seperti proses biosintesis, prosrs pengangkutan, proses kontraksi otot, proses pengaliran listrik dalam sistem syaraf dan proses pemancaran tertentu seperti kunang kunang. ATP terbentuk dari ADP dan Pi dengan suatu reaksi fosforilasi yang dirangkaikan dengan proses oksidasi molekul penghasil energi. Selanjutnya ATP yang terbentuk ini dialirkan ke proses reaksi yang membutuhkan energi dan dihidrolisis menjadi ADP dan fosfat anorganik Pi. Demikian seterusnya sehingga terjadilah suatu mekanisme daur ATPADP secara kontinu dan berkeseimbangan. Dalam hal ini gugus fosfat ujung pada molekul ATP secara kontinu dipindahkan ke molekul penerima gugus fosfat dan secara kontinu pula diganti oleh gugusfosfat lainnya selama katabolisme.

2.6 Termodinamika Kerja ATPMahluk hidup memerlukan masukan energi bebas terus menerus untuk tiga tujuan utama, yakni kerja mekanis konstraksi otot dan gerakan sel lainnya , transfor aktif molekul dan ion-ino serta sintesis makromolekul dan biomolekul lainnya. Donor energi bebas untuk sebagian besar proses yang memerlukan energi adalah ATP. Peran ATP sebagai pengemban energi terpusat pada bagian trifosfatnya. Itulah sebabnya ATP adalah molekul kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida.Jumlah energi yang dilepaskan oleh reaksi penguraian ATP menjadi ADP dan fosfat (Pi) di dalam sel hidup belum dapat diketahui dengan pasti. Penentuan jumlah energi ini dilakukan dengan mengukur perubahan energi bebasnya (G), yaitu perbedaan antara jumlah energi bebas senyawa hasil reaksi dan jumlah energi bebas senyawa pereaksi. Menentukan G dapat dilakukan dengan menghitung G (perubahan energi bebas baku) dari persamaan reaksi hidrolisis ATP menjadi ADP (adenosin difosfat) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi AMP (adenosin monofosfat) dan pirofosfat (PPi).ATP + H2O ======= ADP + Pi + H+ G = -7.3 kkal/molATP + H2O ======= AMP + PPi + H+ G = -7.3 kkal/molG = (GoADP + G0Pi) - (GATP + Go H2O), dimana G adalah harga tetap energi bebas baku untuk komponen reaksi tersebut. Hubungan antara G dan G pada suhu dan tekanan yang tetap ditunjukkan dengan persamaan [ADP] [Pi] G = G + RT 1n --------------------- [ATP] [HOH]Pada keadaan keseimbangan reaksi hidrolisis ATP, G = 0, sehingga persamaan menjadi : [ADP] [Pi][ADP] [Pi]0 =AGO + RT1n -----------------,atau AGO =RT1n-----------------[A[ATP] [H2O] [ATP] [H2O]Di dalam percobaan yang sebenarnya, penentuan harga termodinamika tersebutmerupakan penentuan menurut pengamatan atau penglihatan, yang koreksinya diperhitungkan terhadap penyimpangan dari keadaan ideal yang disebabkan oleh berbagai faktor, seperti konsentrasi dan kekuatan ion dalam larutan. Dengan demikian bentuk persamaannya menjadiAGO' - RT ln [ADP] [PlJatau G'= - RT ln K'eq [ATP] [HOH]atau G' = - 2 303 RT log K'eq, dimana K'eq adalah tetapan keseimbangan reaksi hidrolisis ATP tersebut menurut pengamatan, R = tetapan gas = 1,987 kalori per grammolekul per derajat Kelvin (R = 1,987 kal mol-' K-1), dan T = temperatur dalam derajat Kelvin. Dalam praktek, penentuan K'eq secara langsung sukar dilakukan karena reaksi keseimbangan hidrolisis ATP berlangsung jauh ke kanan sehingga sukar untuk mengetahui titik yang tepat untuk terjadinya keseimbangan dan harga yang pasti dari konsentrasi komponen pereaksi dari hasil reaksinya (ATP, ADP, dan Pi). Oleh karena itu untuk memudahkan penentuan perubahan energi tersebut dipakai suatu cara dengan melibatkan komponen keseimbangan reaksi dalam dua reaksi yang berurutan yang mempunyai perubahan energi bebas baku lebih kecil, yaituheksokinaseATP + glukosa ====ADP + glukosa 6-fosfatK'eq = 661, G' = - 4,0 kkal mol-1Glukosa 6-fosfatase Glukosa 6-fosfat + H2O ====== Glukosa + Fosfat K'eq = 171, G2' = -3,3 kkal mol-1Jumlah kedua persamaan reaksi ini adalahATP + H2O ==== ADP + Pidan perubahan energi bebas baku hidrolisis ATP,G'ATP = G1' + G2' = - 4,0 + (- 3,3) = - 7,3 kkal mol-iCara lain untuk menentukan G'ATP adalah dengan menggunakan persamaan reaksi yang berikut.ATP + glutamat + NH3 ===== ADP + Pi + glutaminG' dalam reaksi keseimbangan yang dikatalisis oleh glutamin sintetase ini dapat ditentukan karena tetapan keseimbangannya mudah diukur (konsentrasi dari tiap komponen reaksi keseimbangan, ATP, glutamat, NH3, ADP, Pi, dan glutamin, mudah diukur). G' untuk reaksi ini adalah - 3,9 kkal mol-1 , Reaksi ini dapat dianggap terdiri dari dua persamaan reaksi, Yang pertama adalah reaksi eksergonik hidrolisis ATP, dan yang kedua adalah reaksi endergonik pembentukan glutamin dari glutamat.ATP + H20====ADP + PiG'ATPglutamat + NH3==== Glutamin + H2O G' = + 3,4 kkal mol-'Jumlah kedua reaksi di atas adalahATP + glutamat + NH3 ==== ADP + Pi + Glutamin G' = - 3,9 kkal mol-1Maka -3,9 kkal mol-1= G'ATP+(+3,4 kkal mol-1)G' ATP=- 7,3 kkal mol-1Dengan cara pengukuran dan perhitungan yang sama diketahui pula perubahan energi bebas baku dari hidrolisis ADP dan AMP, yaituADP + H2O ==== AMP + Pi G' = -7.3 kkal mol 1AMP + H2O ==== Adenosin + Pi G' = - 3,4 kkal mol-1Perlu diketahui bahwa ikatan antara kedua gugus fosfat yang berdekatan pada molekul ATP dan ADP adalah ikatan anhidrid, sedang ikatan antara gugus fosfat dengan ribosa pada AMP adalah ikatan ester. Pada umumnya hidrolisis ikatan anhidrid mempunyai energi bebas baku negatif yang lebih besar daripada ikatan ester.Ternyata berbagai pengukuran dalam percobaan di laboratorium yang berbeda menghasilkan G' ATP yang berbeda pula, yaitu, harga antara -7 dan -8 kkal mol-1. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan faktor yang mempengaruhi pengukuran tersebut, seperti cara analisis, suhu, pH, dan konsentrasi Mg2+ . Namun hal ini tidak merupakan masalah yang berarti dalam peranan ATP sebagai alat angkut energi, karena yang penting bukannya harga mutlak G' ATP melainkan harga relatif G'dalam hidrolisis senyawa donor gugus fosfat ke ADP.Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel 1.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki G lebih rendah dari pada G0 pada ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai G lebih tinggi daripada G0 pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan sebagainya.Senyawa biologik penting lain yang berenergi tinggi adalah tiol ester yang mencakup koenzim A (misal asetil-KoA), protein pembawa asil, senyawa-senyawa ester asam amino yang terlibat dalam sintesis protein, S-adenosilmetionin (metionin aktif), uridin difosfat glukosa dan 5-fosforibosil-1-pirofosfat.Tabel 1.1 Energi Bebas Baku Hasil Hidrolisis Beberapa Senyawa \Organofosfat Yang Memiliki Peran Penting Dalam BiokimiaSenyawaGO

kJ/molKkal/mol

FosfoenolpiruvatKarbamoil fosfat 1,3-bifosfogliserat(sampai 3-fosfogliserat)Kreatin fosfatATP ADP + Pi ADP AMP + PiPirofosfatGlukosa 1-fosfatFruktosa 6-fosfatAMPGlukosa 6-fosfatGliserol 3-fosfat-61,9-51,4 -49,3-43,1-30,5 -27,6-27,6-20,9-15,9-14,2-13,8-9,2-14,8-12,3 -11,8-10,3-7,3 -6,6-6,6-5,0-3,8-3,4-3,3-2,2

Berbagai senyawa lain pada sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi. Beberapa diantaranya seperti fosfoenolpiruvat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari pada ATP. Ini berarti bahwa fosfoenolpiruvat dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Hal ini adalah salah satu cara pembentukan ATP pada pemecahan gula. Sangat berarti bahwa ATP mempunyai potensial transfer fosforil yang berada ditengah diantara molekul terfosforilasi lainya.Dasar struktur kimia dalam hidrolisis senyawa berenergi tinggiBerbagai faktor struktur kimia menunjang besarnya perubahan energi bebas hidrolisis senyawa (fosfat) berenergi tinggi: (1) Jumlah bentuk resonansi struktur hasil reaksi hidrolisis lebih banyak daripada jumlah bentuk resonansi struktur pereaksi. Dalam hal ini proses hidrolisis mengakibatkan naiknya energi resonansi dan menurunnya energi bebas dari reaksi karena struktur hasil reaksi mempunyai energi bebas yang lebih kecil (lebih mantap) daripada struktur pereaksi. Sebagai contoh, gugus karboksil asetat dan struktur fosfat anorganik (Pi) mempunyai jumlah bentuk resonansi yang lebih besar daripada struktur asetilfosfat, 2) proses hidrolisis mengakibatkan turunnya tolakan elektrostatik yang terjadi dalam struktur molekul. 3) Terjadinya mekanisme tautomerisasi keto-enol pada struktur hasil reaksi, tetapi tidak pada struktur pereaksi, yang merupakan faktor penting yang menunjang besarnya perubahan energi bebas dari hidrolisis suatu senyawa berenergi tinggi seperti fosfoenolpiruvat. 4) Hidrolisis menghasilkan senyawa hasil reaksi dengan tanda muatan yang sama seperti pada hidrolisis ATP pada pH 7,0 menghasilkan ADP dan Pi. 5) Faktor lainnya yang berhubungan dengan perbedaan konfigurasi elektron antara struktur hasil reaksi dan struktur pereaksi adalah adanya sifat hidratasi yang lebih besar pada hasil reaksi dibandingkan dengan pereaksi. Misalnya pada hidrolisis ATP, ADP dan Pi mempunyai sifat berhidratasi lebih besar dari pada ATP sehingga reaksi berlangsung lebih besar lagi ke kanan.2.7 Mekanisme PengaitanMekanisme pengaitannya dapat melalui beberapa cara, yaitu dapat melalui pembentukan zat antara dan melalui pembentukan senyawa kaya energi (~E). Senyawa kaya energi yang paling banyak didapat adalah adenosin trifosfat (ATP).ATP adalah suatu nukleosida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa, dan tiga gugus fosfat. Nilai untuk hidrolisis fosfat terminal pada ATP terbagi kedalam 2 kelompok, yaitu fosfat berenergi-rendah dan fosfat berenergi-tinggi. Contoh fosfat bernergi-rendah adalah ester fosfat dan contoh fosfat berenergi-tinggi berupa anhidrida, enolfosfat, dan fosfoguanidin dll. Fosfat berenergi-tinggi di simbolkan dengan ~P. Oleh karena itu pada ATP mengandung dua gugus fosfat berenergi tinggi, ADP mengandung satu fosfat berenergi tinggi, sementara AMP termasuk fosfat berenergi rendah.ATP berperan penting dalam proses pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. Selain itu ATP mampu berfungsi sebagai donor fosfat berenergi-tinggi untuk membentuk suatu senyawa, dan ADP dapat menerima fosfat berenergi-tinggi untuk membentuk ATP.Fosfat berenergi-tinggi (~P) terdapat dalam 3 sumber utama, yaitu dalam proses fosforilasi oksidatifyang banyak terdapat dalam organisme anaerob, dalam proses glikolisis yang berasal dari pembentukan laktat dari suatu molekul glukosa, dan pada siklus asam sitrat yang berasal secara langsung dari siklus ditahap suksinil tiokinase. Ketika ATP digunakan sebagai sumber energi untuk melakukan kontraksi otot maka konsentrasi ATP dipertahankan, sedangkan apabila konsentrasi ATP tinggi dan berlimpah maka ATP akan disimpan di dalam fosfagen yang terdapat di otot rangka, jantung, spermatozoa, dan otak vertebrata. Peran penggunaan ATP yang lain adalah dapat menggabungkan reaksi yang secara termodinamika kurang menguntungkan dengan reaksi yang lebih menguntungkan. Contohnya pada fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6-fosfat. Pada tahap reaksi ini sangat endergonik dan tidak dapat berlangsung secara fisiologis sehingga perlu adanya penggabungan dengan reaksi hidrolisis fosfat terminal ATP yang bersifat secara eksergonik, sehingga kedua reaksi ini dapat terjadi. Dalam reaksi-reaksi yang terjadi dalam biokimia, terdapat peranan enzim sebagai zat yang dapat mempercepat tercapainya suatu reaksi, contohnya :1. Pada reaksi fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6-fosfat melibatkan katalis enzim heksosinase.2. Pada perubahan ATP + AMP < -- > ADP melibatkan enzim Adenilil Kinase.3. Pada pembentukan AMP dari suatu ATP melibatkan enzim Asil-KoA Sintetase .4. Pada pembentukan nukleosida trifosfat dari suatu difosfatnya melibatkan enzim Nukleosida difosfat Kinase.5. Pada pembentukan nukleosida difosfat dari monofosfatnya melibatkan enzim Nukleosida Monofosfat Kinase Spesifik.

ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfo anhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawa-senyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~P danmenunjukkan senyawa yang punya potensi altransfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber utama ~ P yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu:a) Peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. b) Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua ~P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. c) Sumber ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada konversi suksinilko-Amenjadi suksinat. Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, proteinpembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosil metionin, uridin difosfat glukosa dan 5.fosforibosil. 1.pirofosf at.

2.8 Reaksi Oksidasi Molekul Bahan Bakar Dimana NADH Dan FADH2 Adalah Pengemban Elektron Utama

Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, seperti glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari molekul bahan bakar atau dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat yang dioksidasi memindahkan elektronnya kepengemban pengemban khusus yaitu nukleotida piridin atau flavin. Pengemban yang tereduksi ini kemudian memindahkan elektron potensi tingginya keoksigen melalui rantai pernapasan yang terdapat padasisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan ortofosfat (Pi). Proses iniyang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi sumber utama ATP pada organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang berasal dari oksidasi molekul bahan bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi biosintesa yang memerlukan daya pereduksi. Nikotinamid adenin di nukleotida (NAD+) adalah pengemban elektron utama pada oksidasi molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD+ adalah cincin nikotinamidnya, suatu derivat piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid NAD+ menerima satu ion hidrogen dan dua elektron, yang ekivalen dengan satu ion hidrida (H). Bentuk tereduksi pengemban ini disebut NADH. Pada dehidrogenasi diatas, satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke NAD+, sedangkan yang lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang dilepaskan oleh substrat dipindahkan kecincin nikotinamid. Pengemban elektron utama lainnya pada oksidasi molekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleotida(FAD). Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Bagian reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD, seperti juga NAD+, dapat menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD+, FAD mengambil proton dan juga ion hidrida.

2.9 Fosforilasi OksidatifFosforilasi oksidatif adalah suatulintasan metabolismeyang enggunakan energi yang dilepaskan olehoksidasinutrienuntuk menghasilkanadenosina trifosfat(ATP). Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semuanya menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP. Lintasan ini sangat umum digunakan karena ia merupakan cara yang sangat efisien untuk melepaskan energi, dibandingkan dengan prosesfermentasialternatif lainnya seperti glikolisisanaerobik. Selama fosforilasi oksidatif, elektron ditransfer daripendonor elektronkepenerima elektronmelaluireaksi redoks.Reaksi redoks ini melepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. Padaeukariota,reaksi redoks ini dijalankan oleh serangkaian kompleks proteindi dalammitokondria,manakala padaprokariota,protein-protein ini berada di membran dalam sel. Enzim-enzim yang saling berhubungan ini disebut sebagai rantai transpor elektron. Pada eukariota, lima kompleks protein utama terlibat dalam proses ini, manakala pada prokariota, terdapat banyak enzim-enzim berbeda yang terlibat. Energi yang dilepaskan oleh perpindahan elektron melalui rantai transpor elektron ini digunakan untuk mentranspor proton melewatimembran dalam mitokondria.Proses ini disebut kemiosmosis.Transpor ini menghasilkanenergi potensialdalam bentuk gradienpHdanpotensial listrikdi seluruh permukaan membran ini. Energi yang tersimpan dalam bentuk ini dimanfaatkan dengan cara mengijinkan proton mengalir balik melewati membran melaluienzimyang disebutATP sintase.Enzim ini menggunakan energi seperti ini untuk menghasilkan ATP dariadenosina difosfat(ADP) melalui reaksifosforilasi.Reaksi ini didorong oleh aliran proton, yang mendorongrotasisalah satu bagian enzim. Walaupun fosforilasi oksidatif adalah bagian vitalmetabolisme,ia menghasilkanspesi oksigen reaktifsepertisuperoksidadanhidrogen peroksida.Hal ini dapat mengakibatkan pembentukanradikal bebas,merusak sel tubuh, dan kemungkinan juga menyebabkanpenuaan. Enzim-enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga merupakan target dari banyak obat danracunyang dapatmenghambataktivitas enzim. Karbohidrat adalah komponen dalam makanan yang merupakan sumber energi yang utama bagi organisme hidup. Dalam makanan kita, karbohidrat terdapat sebagai polisakarida yang dibuat dalam tumbuhan dengan cara fotosintesis. Tumbuhan merupakan gudang yang menyimpan karbohidrat dalam bentuk amilum dan selulosa. Amilum digunakan oleh hewan dan manusia apabila ada kebutuhan untuk memproduksi energi. Di samping dalam tumbuhan, dalam tubuh hewan dan manusia juga terdapat karbohidrat yang merupakan sumber energi, yaitu glikogen. Karbohidrat siap dikatabolisir menjadi energi jika berbentuk monosakarida. Energi yang dihasilkan berupa Adenosin trifosfat (ATP).

2.10 Rantai Respirasi Rantai respirasi adalah rangkaian proses transfer elektron hidrogen yang terjadi pada bagian membran dalam mitokodria dengan melibatkan sejumlah enzim. Hasil akhir dari rangkaian proses transfer electron ialah sejumlah energi berbentuk ATP yang diperlukan dalam berbagai aktivitas organisme hidup.Respirasi sebagai suatu proses oksidasi yang terdiri banyak tahapan reaksi dan juga respirasi adalah oksidasi selular di mana energi yang disimpan dalam molekul-molekul makanan dilepaskan dan digunakan oleh sel. Dalam reaksi tersebut, H2O dan CO2 merupakan hasil akhir dan energy terlepas. Reaksi umum respirasi: C6H12O6+ 6 O2 +6 H2O 6 CO2 +12 H2O + ATP

Reaksi respirasi merupakan reaksi katabolisme yang memecah molekul-molekul gula menjadi molekul anorganik berupa CO2 dan H2O. Tujuan respirasi adalah untuk mendapatkan energi melalui proses glikolisis. Senyawa gula diperoleh dari proses fotosintesis. Butiran amilum yang tersimpan dalam jaringan dan organ penyimpan cadangan makanan akan diubah kembali dalam bentuk glukosa fosfat di dalam sitoplasma sel. Kemudian glukosa fosfat akan dipecah menjadi piruvat dan masuk ke dalam siklus Krebs. Selama glikolisis berlangsung dan dalam siklus Krebs akan dihasilkan gas CO2 yang akan dikeluarkan dari dalam sel. Gas tersebut dengan berdifusi akan terkumpul dalam rongga-rongga antar sel dan bila tekanan telah cukup akan keluar dari jaringan.

Aliran electron dari substrat ke oksigen merupakan sumber energy ATP Pada setiap putaran siklus asam sitrat, 4 pasang atom hydrogen dipindahkan dari isositrat, - ketoklutarat, suksinat, dan malat melalui aktifitas dehidrogenase spesifik. Atom hidrogen ini, pada beberapa tahap memberikan elektronnya kepada rantai transport electron dan menjadi ion H+ yang terlepas kedalam medium cair. Electron tersebut diangkut disepanjang rantai molekul pembawa electron, sampai electron-elektron ini mencapai oksidase sitokrom, yang menyebabkan pemindahan electron ke oksigen, yakni molekul penerima electron pada organisme aerobic. Pada saat masing-masing atom oksigen menerima 2 elektron dari rantai tersebut, 2 atom H+, yang setara dengan 2H+ yang dilepaskan sebelumnya dari 2 atom hydrogen yang dipindahkan oleh dehidrogenase diambil dari medium cair untuk membentuk H2O. Rantai respirasi terdiri dari serangkaian protein dengan gugus prostetik yang terikat kuat, dan mampu menerima dan memberikan electron. Setiap anggota dapat menerima electron dari anggota sebelumya, dan memindahkan electron ke molekul anggtoa berikutnya, dalam uraian reaksi yang spefisik. Elektron yang masuk ke dalam rantai transport electron yang kaya akan energy, tetapi pada saat electron tersebut melalui rantai, menuju ke oksigen dengan cara setahap demi setahap, electron tersebut kehilangan kandungan energy bebasnya. Banyak dari energy tersebut yang disimpan dalam bentuk ATP oleh mekanisme molekul pada membrane mitokondria sebelah dalam. Pada saat masing-masing pasangan elektron melalui rantai respirasi dari NADH menuju oksigen sintesis 3 molekul ATP dari ADP dan posfat berlaangsung bersama-sama. Ketiga bagian rantai respirasi yang memberikan energy untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif disebut sisi penyimpanan energi.

Senyawa pengangkut electron selalu berfungsi dalam urutan spesifik Pertama, potensial redoks bakunya secara berturut-turut semakin positif pada arah menuju oksigen, karena electron cendrung mengalir dri sistem elektro negative ke sistem elekro positif menyebabkan penurunan dalam energy bebas. Kedua, setiap rantai anggota respirasi bersifat spesifik bafi senyawa pemberi dan penerima electron tertentu. Sebagai contoh. NADH dapat memindahkan electron ke NADH dehidrogenase, tetapi tidak dapat memindahkan electron ini secara lagsung ke sitokrom b atau ke sitokrom c. Ketiga, kompleks structural protein pengangkut electron yang fungsinya serupa telah dapat diisolasi dari membrane mitokondria. Kompleks I terdiri dari NADH dhidrogenase dan pusat besi-sulfurnya yang erat berhubungan dalam fungsinya. Kompleks II terdiri dari saksinat dehidrogenase dan pusat besi sulfurnya. Komplek III terdiri dari sitokrom b dan c2, serta pusat besi sulfur spesifik. Sitrokrom a dan a3 bersama-sama menyusun kompleks IV. Ubikuinon merupakan rantai penghubung di antara kompleks I, II, dan III, serta sitokrom c merupakan rantai penghubung diantra kompleks III dan IV.

Fosforilasi Oksidatif Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung.

Sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dari substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob. NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer electron dari NADH atau FADH2 kepada O2 melalui serangkaian pengemban electron. Proses ini merupakan sumber utama pembentukan ATP pada organisme air. Sebagai contoh, fosforilasi oksidatif menghasilkan 26 dari 30 molekul ATP yag terbentuk pada oksidasi sempurna glukosa menjadi CO2 dan H2O. Aliran electron dari NADH atau FADH2 ke O2 melalui kompleks-kompleks protein, yang terdapat pada membran dalam mitokondria, akan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya, terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradient ph dan potensial listrik trans membran. Sintesis ATP teradi bila proton mengalir kembali kedalam matriks mitokondria melalui suatu kompleks enzim. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradient proton melintasi membran dalam mitokondria.

Proses fosforilasi oksidatif Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD+) dan flavin adenin dinukleotida (FAD).Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondriaGradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pidengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis. Secara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing kompleks I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks mitokondria.

Transport electron dan fosforilasi oksidatif terjadi pada Membran Mitokondria sebelah dalamPada sel eukariotik, hampir semua dehidrogenasa spesifik yang diperlukan pada oksidasi piruvat dan bahan bakar lain melalui siklus asam sitrat terletak pada bagian sebalah dalam mitokondria, yaitu matriks. Molekul pemindahan elektron dari rantai respirasi dan molekul enzim yang melakukan sitesa ATP dari ADP dan fosfat terbenam dalam membran sebelah dalam. Bahan bakar siklus asam sitrat seperti piruvat, harus dipindahkan dari sitosol ( tempat dilakukannya sintesi molekul-molekul tersebut) melalui membran mitokondria kedalam bagian matrik disebelah dalam sebagai tempat aktivitas dehidrogenase. Demikian pula, ADP yang dibentuk dari ATP selama aktivitas yang memerlukan energy didalam sitosol harus dipindahkan didalam metrics mitokondria, untuk mengikat posfat kembali menjadi ATP. ATP baru yang terbentuk harus dikembalikan kesitosol. Sistem transport membran yang khusus pada membrane mitokondria sebah dalam tidak hanya melangsungkan masuknya piruvat dan bahan bakar lain kedalam mitokondria, tetapi juga masuknya posfat dan ADP. Dan keluarnya ATP selama fosforilasi oksidatif. Jadi, membrana mitokondria sebalah dalam merupakan sruktur komplek yang mengandung molekul pembawa electron, sejumlah enzim, dan beberapa sistem transport membran. Yang bersama-sama menyusun sampai 75% atau lebih berat total membrane, sisanya merupakan lipida. Struktur membrane sebelah dalam amat komplek, berliku-liku, dan bersifat mosaic; integritas membran ini penting bagi pembentukan ATP yang menunjang aktivitas hidup.

Hasil Panen Fosforilasi Transfor Elektron Energi yang di panen dari tahap ketiga respirasi aerobik ini umumnya adalah 32 ATP. Jika ditambahkan dengan hasil panen dari tahap-tahap sebelumnya, maka diperoleh hasil bersih 36 ATP dari satu molekul glukosa. Glukosa mengandung energi simpanan yang lebih besar dibandingkan dengan produk akhir katabolisme gula (CO2 atau air). Lebih kurang 686 kkal energi dibebaskan dari setiap mol glukosa. Sebagian besar energi yang dibebaskan dalam bentuk panas, sisanya lebih kurang 39% tersimpan dalam bentuk ATP.

Perhitungan Produksi ATP Melalui Respirasi Elektron

Selama respirasi, sebagian energi mengalir dalam urutan ini: glukosaNADHrantai transpor elektron gaya-gerak proton ATP. Tiga departemen utama metabolik adalah glikolisis, siklus asam sitrat dan transpor elektron, yang menggerakkan fosforilasi oksidatif. Perhitungan tersebut menambahkan 4 ATP yang dihasilkan secara langsung oleh fosforilasi tingkat substrat selama glikolisis dan siklus asam sitrat ke lebih banyak lagi molekul ATP yang dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif . Setiap NADH yang mentransfer sepasang elektron dari glukosa ke rantai transpor elektron cukup berkontribusi bagi gaya gerak proton yang cukup untuk menghasilkan maksimum sekitar 3ATP.

Proses GlikolisisPada dasarnya metabolisme glukosa dapat dibagi dalam dua bagian yaitu yang tidak menggunakan oksigen atau anaerob dan yang menggunakan oksigen atau aerob. Dengan adanya oksigen (dalam suasana aerob), glikolisis berlangsung menghasilkan piruvat, atau tanpa oksigen (glikolisis anaerob) menghasilkan laktat. Glikolisis menghasilkan dua senyawa karbohidrat beratom tiga dari satu senyawa beratom enam ; pada proses ini terjadi sintesis ATP dari ADP + Pi. Reaksi anaerob terdiri atas serangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi asam laktat. Proses ini disebut glikolisis. Dalam keadaan tanpa oksigen respirasi terhenti karena proses pengangkutan electron yang dirangkaikan dengan fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pernafasan yang menggunakan molekul oksigen sebagai penerima electron terakhir, tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs) akan terhenti pula sehingga piruvat tidak lagi masuk ke dalam daur Krebs melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu diubah menjadi asam laktat oleh lakatat dehidrogenase dengan NADH sebagai sumber energinya. Dalam hal ini dua molekul NADH yang dihasilkan oleh reaksi tahap kelima dalam glikolisis (reaksi dengan gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase) tidak dipakai untuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk reaksi reduksi dua molekul asam piruvat menjadi asam laktat. Jadi pada glikolisis anaerob ini energi yang dihasilkan hanya dua molekul ATP saja. Jumlah ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob, yaitu 8 ATP. Tiap reaksi dalam proses glikolisis ini menggunakan enzim tertentu, dan akan dibahas satu demi satu. a. HeksokinaseTahap pertama proses glikolisis adalah pengubahan glukosa menjadi glukosa -6- fosfat dengan reaksi fosforilasi. Enzim heksokinase merupakan katalis dalam reaksi tersebut dibantu oleh ion Mg+ sebagai kofaktor. Enzim ini ditemukan oleh Meyerhof pada tahun 1927 dan telah dikristalkan dari ragi, mempunyai berat molekul 111.000. Heksokinase yang berasal dari ragi dapat merupakan katalis pada reaksi pemindahan gugus fosfat dari ATP tidak hanya kepada glukosa tetapi juga kepada fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam otak, otot dan hati terdapat enzim heksokinase yang multi substrat ini. Disamping itu adapula enzim-enzim yang khas tetapi juga kepada fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam kinase hati juga memproduksi fruktokinase yang menghasilkan fruktosa -1- fosfat. Enzim heksokinase dari hati dapat dihambat oleh hasil reaksi sendiri. Jadi apabila glukosa -6- fosfat terbentuk dalam jumlah banyak, maka senyawa ini akan menjadi inhibitor bagi enzim heksokinase tadi. Selanjutnya enzim akan aktif kembali apabila konsentrasi glukosa -6- fosfat menurun pada tingkat tertentu.b. Fosafoheksoisomerase Reaksi berikutnya ialah isomerisasi, yaitu pengubahan glukosa -6- fosfat menjadi fruktosa -6- fosfat, dengan enzim fosfoglukoisomerase. Enzim ini tidak memerlukan kofaktor dan telah diperoleh dari ragi dengan cara kristalisasi. Enzim fosfoheksoisomerase terdapat pada jaringan otot dan mempunyai berat molekul 130.000. c. FosfofruktokinaseFruktosa -6- fosfat diubah menjadi fruktosa -1,6- difosfat oleh enzim fosfofruktokinase dibantu oleh ion Mg+sebagai kofaktor. Dalam reaksi ini gugus fosfat dipindahkan dari ATP kepada fruktosa -6- fosfat dan ATP sendiri akan berubah menjadi ADP. Fosfofruktokinase dapat dihambat atau dirangsang oleh beberapa metabolit, yaitu senyawa yang terlibat dalam proses metabolisme ini. Sebagai contoh, ATP yang berlebih dan asam sitrat dapat menghambat, dilain pihak adanya AMP, ADP, dan fruktosa-6- fosfat dapat menjadi efektor positif yang merangsang enzim fosfofruktokinase. Enzim ini adalah suatu enzim alosterik dan mempunyai berat molekul kira-kira 360.000. d. Aldolase Reaksi Tahap keempat dalam rangkaian glikolisis adalah penguraian molekul fruktosa -1,6- difosfat membentuk dua molekul triosa fosfat, yaitu dihidroksi acetone fosfat dan D-gliseraldehida-3-fosfat. Dalam tahap ini enzim aldolase yang menjadi katalis, telah ditemukan dan dimurnikan oleh Warburg. Enzim ini terdapat dalam jaringan tertentu dan dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguraian beberapa ketosa dan monofosfat, misalnya fruktosa -1,6- difosfat, segoheptulosa -1,7- difosfat, fruktosa -1- fosfat, Eritrulosa -1- fosfat. Hasil reaksi penguraian tiap senyawa tersebut yang sama adalah dihidroksi acetone fosfat. e. Triosafosfat Isomerase Dalam reaksi penguraian oleh enzim aldolase terbentuk dua macam senyawa, yaitu D-gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat. Yang mengalami reaksi lebih lanjut dam proses glikolisis ialah D-gliseraldehid-3-fosfat. Andaikata sel tidak mampu mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi D-gliseraldehida-3-fosfat, tentulah dihidroksi aseton fosfat akan tertimbun dalam sel. Hal ini tidak berlangsung karena dalam sel terdapat enzim triosafosfat isomerase yang dapat mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi D-gliseraldehida-3-fosfat. Adanya keseimbangan antara kedua senyawa tersebut dikemukakan oleh Meyerhof dan dalam keadaan keseimbangan dihidroksi aseton fosfat terdapat dalam jumlah dari 90%. Enzim ini bekerja sebagai katalis pada reaksi oksidasi gliseraldehida -3-fosfat menjadi asam 1,3 difosfogliserat. Dalam reaksi ini digunakan koenzim NAD+, sedangkan gugus fosfat diperoleh dari asam fosfat. Reaksi oksidasi ini mengubah aldehida menjadi asam karboksilat. Gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase telah dapat diperoleh dalam bentuk kristal dari ragi dan mempunyai berat molekul 145.000. Enzim ini adalah suatu tetramer yang terdiri atas empat subunit yang masing-masing mengikat satu molekul NAD+, jadi pada tiap molekul enzim terikat empat molekul NAD+.f. Fosfogliseril Kinase Reaksi yang menggunakan enzim ini ialah reaksi pengubahan asam 1,3-difosfogliserat menjadi asam 3-fosfogliserat. Dalam reaksi ini terbentuk satu molekul ATP dari ADP dan ion Mg++ diperlukan sebagai kofaktor. Oleh karena ATP adalah senyawa fosfat berenergi tinggi, maka reaksi ini mempunyai fungsi untuk menyimpan energi yang dihasilkan oleh proses glikolisis dalam bentuk ATP.

g. Fosfogliseril Mutase Fosfogliseril mutase bekerja sebagai katalis pada reaksi pengubahan asam 3-fosfogliserat menjadi asam 2-fosfogliserat. Enzim ini berfungsi memindahkan gugus fosfat dari satu atom C kepada atom C lain dalam satu molekul. Berat molekul enzim fosfogliseril mutase yang diperoleh dari ragi ialah 112.000.h. Enolase Reaksi Enolase Reaksi b ialah reaksi pembentukan asam fosfoenol piruvat dari asam 2-fosfogliserat dengan katalis enzim enolase dan ion Mg++ sebagai kofaktor. Reaksi pembentukan asam fosfoenol piruvat ini ialah reaksi dehidrasi. Adanya ion F-dapat menghambat kerjanya enzim enolase, sebab ion F- dengan ion Mg++ dan fosfat dapat membentuk kompleks magnesium fluoro fosfat. Dengan terbentuknya kompleks ini akan mengurangi jumlah ion Mg++dalam campuran reaksi dan akibat berkurangnya ion Mg++ maka efektivitas reaksi berkurang.i. Piruvat KinaseEnzim ini merupakan katalis pada reaksi pemindahan gugus fosfat dari asam fosfoenolpiruvat kepada ADP sehingga terbentuk molekul ATP dan molekul asam piruvat. Piruvat kinase telah dapat diperoleh dari ragi dalam bentuk kristal. Enzim ini adalah suatu tetramerdengan berat molekul 165.000. Dalam reaksi tersebut diatas, diperlukan ion Mg++dan K+sebagai activator. j. Laktat Dehidrogenase Reaksi yang menggunakan enzim laktat dehidrogenase ini ialah reaksi tahap akhir glikolisis, yaitu pembentukan asam laktat dengan cara reduksi asam piruvat. Dalam reaksi ini digunakan NADH sebagai koenzim. Tinjauan Energi Proses GlikolisisProses glikolisis dimulai dengan molekul glukosa dan diakhiri dengan terbentuknya asam laktat. Serangkaian reaksi-reaksi dalam proses glikolisis tersebut dinamakan juga jalur Embden-Meyerhof. Reaksi-reaksi yang berlangsung pada proses glikolisis dapat dibagi dalam dua fase. Pada fase pertama, glukosa diubah menjadi triosafosfat dengan proses fosforilasi. Fase kedua dimulai dari reaksi oksidasi triosafosfat hingga terbentuk asam laktat. Perbedaan antara kedua fase ini terletak pada aspek energi yang berkaitan dengan reaksi-reaksi dalam kedua fase tersebut. Dalam proses glikolisis satu mol glukosa diubah menjadi dua mol asam laktat. Fase pertama dalam proses glikolisis melibatkan dua mol ATP yang diubah menjadi ADP. Jadi fase pertama ini menggunakan energi yang tersimpan dalam molekul ATP. Fase kedua mengubah dua mol triosa yang terbentuk pada fase pertama menjadi dua mol asam laktat, dan dapat menghasilkan 4 mol ATP. Jadi fase kedua ini menghasilkan energi. Apabila ditinjau secara keseluruhan proses glikolisis ini menggunakan 2 mol ATP dan menghasilkan 4 mol ATP sehingga masih ada sisa 2 mol ATP yang ekuivalen dengan energi sebesar 14.000 kalori. Energi tersebut tersimpan dan dapat digunakan oleh otot dalam energi mekanik. Oleh karena energi yang dibebaskan untuk reaksi glukosa menjadi asam laktat adalah 56.000 kalori, maka dapat dihitung bahwa efisiensi proses glikolisis ialah 14.000/56.000 x 100% = 25%. Suatu tingkat efisiensi yang cukup tinggi. Proses glikolisis tidak hanya melibatkan glukosa saja, tetapi juga monosakarida lain, misalnya fruktosa, galaktosa dan manosa. Monosakarida tersebut diserap melalui dinding usus dibawa ke hati. Di sini beberapa monosakarida dan juga glikogen mengalami beberapa reaksi pengubahan menjadi glukosa -6-fosfat dan selanjutnya masuk ke dalam proses glikolisis, seperti halnya dengan glukosa. Enzim galaktokinase merupakan katalis pada reaksi pembentukan galaktosa-1-fosfat dari galaktosa. Kemudian galaktosa-1-fosfat diubah menjadi uridin difosfat galaktosa (UDP-galaktosa) oleh enzim UDP galaktosapirofosforilase yang terdapat dalam hati orang dewasa. Selanjutnya UDP galaktosa diubah menjadi UDP glukosa oleh enzim UDP glukosa epimerase. Akhirnya UDP glukosa bereaksi dengan pirofosfat dan membentuk UTP dan glukosa-1-fosfat. Reaksi ini berlangsung dengan adanya enzim UDP glikosapirofosforilasesebagai katalis. Pada hati bayi atau anak-anak, terdapat enzim fosfogalaktosa uridiltransferase. Enzim ini dapat mengubah galaktosa-1-fosfat menjadi glukosa-1-fosfat. Di samping monosakarida, gliserol juga ikut serta dalam proses glikolisis. Gliserol sebagai hasil hidrolisis lemak dapat diubah menjadi gliserol-3-fosfat oleh enzim gliserolkinase. Gliserol-3-fosfat yang terbentuk kemudian diubah menjadi dihidroksiasetonfosfat oleh enzim gliserilfosfatdehidrogenase. Dihidroksiaseton fosfat terdapat dalam keadaan keseimbangan dengan gliseraldehida-3-fosfatyang merupakan salah satu hasil antara dalam proses glikolisis.

Perubahan piruvat menjadi asetilkoenzim-AReaksi oksidasi piruvat hasil glikolisis menjadi asetilkoenzim-A, merupakan tahap reaksi penghubung yang penting antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs). Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks piruvat dihidrogenase dalam matriks mitokondrion menghasilkan tiga macam enzim (piruvat dehidrogenase, dihidrolipoil transasetilase, dan dihidrolipoil dehidrogenase), lima macam koenzim (tiamin pirofosfat, asam lipoat, koenzim-A, flavin adenine dinukleotida, dan nikotinamid adenine dinukleotida), dan berlangsung dalam lima tahap reaksi. Keseluruhan reaksi dekarboksilasi ini irreversible, dengan

G = -8,0 kkal per mol. Piruvat + NAD++ koenzim-A + NADH+CO2

Reaksi ini merupakan jalan masuk utama karbohidrat kedalam daur Krebs. Tahap reaksi pertama dikatalisis oleh piruvat dehidrogenase yang menggunakan tiamin pirofosfat sebagai koenzimnya.

Dekarboksilasi piruvat menghasilkan senyawa -hidroksietil didehidrogenase menjadi asetil yang kemudian dipindahkan dari tiamin pirofosfat ke atom S dari koenzim yang berikutnya, yaitu asam lipoat, yang terikat pada enzim dihidrolipoil transasetilase. Dalam hal ini gugus disulfide dari asam lipoat diubah menjadi bentuk reduksinya, gugus sulfhidril. Pada tahap reaksi ketiga, gugus asetil dipindahkan dengan perantara enzim dari gugus lipoil pada asam dihidrolipoat, ke gugus tiol (sulfhidril pada koenzim-A). Kemudian asetilkoenzim-A dibebaskan dari system enzim kompleks piruvat dehidrogenase. Pada tahap reaksi keempat, gugus ditiol pada gugus lipoil yang terikat pada dihidrolipoil transasetilase dioksidasi kembali menjadi bentuk disulfidanya dengan enzim dihidrolipoil dehidrogenase yang berikatan dengan FAD (flafin adenine dinulkeotida). Akhirnya (tahap reaksi kelima) FADH2 (bentuk reduksi dari FAD) yang tetap terikat pada enzim, dioksidasi kembali oleh NAD+(nikotinamid adenine dinukleotida) menjadi FAD, sedangkan NAD+berubah menjadi NADH (bentuk reduksi dari NAD+).

Pengaturan dekarboksilasi piruvatTelah diketahui bahwa disamping mengandung tiga macam enzim tersebut diatas, kompleks enzim piruvat dehidrogenase juga mempunyai dua macam enzim yang terdapat dalam sub unit pengaturnya yaitu , piruvat dehidrogenase kinase dan piruvat dehidrogenase fosfatase. Kedua enzim ini berperan dalam mengatur laju reaksi dekarboksilasi piruvat dengan cara mengendalikan kegiatan sub unit katalitiknya pada kompleks enzim piruvat dehidrogenase itu sendiri. Bila jumlah ATP yang dihasilkan oleh daur Krebs dan fosforilasi bersifat oksidasi terlalu banyak, keseimbangan reaksi berjalan ke bawah (laju reaksi fosforilasi sub unit katalitik kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase terhambat dan menjadi tidak aktif. Hal ini menyebabakan terhentinya reaksi pembentukan asetilkoenzim-A dari piruvat. Akibatnya, jumlah asetil koenzim-A yang diperlukan untuk daur Krebs akan berkurang sehingga laju reaksi daur Krebs terhsambat dan produksi ATP terhenti. Sebaliknya, bila jumlah ADP banyak (ATP sedikit) keseimbangan reaksi didorong keatas (laju reaksi defosforilasi kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase bertambah. Akibatnya reaksi dekarboksilasi piruvat menjadi koenzim-A naik, sehingga laju reaksi daur Krebs bertambah besar dan produksi ATP bertambah banyak.

Jalur metabolisme piruvatPiruvat dapat mengalami berbagai jalur reaksi yang berbeda sehingga merupakan titik cabang metabolisme karbohidrat. Sebagian dari jalur tersebut berlangsung dengan beberapa tahap reaksi. Penambahan gugus amino akan mendorong pembentukan alanina dari piruvat. Sebaliknya, reaksi perubahan alanina menjadi piruvat merupakan salah satu jalan masuknya asam amino kedalam jalur metabolisme karbohidrat. Adanya CO2 yang berlebih mendorong terjadinya oksalasetat dari piruvat. Reaksi bolak-balik piruvat-laktat, seperti telah dibahas sebelumnya, merupakan jalur titik akhir sitesis laktat. Metabolisme laktat berlangsung dengan terlebih dulu mengubahnya kembali menjadi piruvat. Dalam keadaan normal, bila jumlah persediaan oksigen dalam jaringan otot cukup banyak, piruvat tidak diubah menjadi laktat melainkan didekarboksilasi menjadi asetilkoenzim-A. Melalui jalur metabolisme glukoneogenesis, piruvat dapat diubah menjadi glukosa atau glikogen. Telah diketahui bahwa disamping mengandung tiga macam enzim tersebut diatas, kompleks enzim piruvat dehidrogenase juga mempunyai dua macam enzim yang terdapat dalam sub unit pengaturnya yaitu , piruvat dehidrogenase kinase dan piruvat dehidrogenase fosfatase. Kedua enzim ini berperan dalam mengatur laju reaksi dekarboksilasi piruvat dengan cara mengendalikan kegiatan sub unit katalitiknya pada kompleks enzim piruvat dehidrogenase itu sendiri. Bila jumlah ATP yang dihasilkan oleh daur Krebs dan fosforilasi bersifat oksidasi terlalu banyak, keseimbangan reaksi berjalan ke bawah (laju reaksi fosforilasi sub unit katalitik kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase terhambat dan menjadi tidak aktif. Hal ini menyebabakan terhentinya reaksi pembentukan asetilkoenzim-A dari piruvat. Akibatnya, jumlah asetil koenzim-A yang diperlukan untuk daur Krebs akan berkurang sehingga laju reaksi daur Krebs terhsambat dan produksi ATP terhenti. Sebaliknya, bila jumlah ADP banyak (ATP sedikit) keseimbangan reaksi didorong keatas (laju reaksi defosforilasi kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase bertambah. Akibatnya reaksi dekarboksilasi piruvat menjadi koenzim-A naik, sehingga laju reaksi daur Krebs bertambah besar dan produksi ATP bertambah banyak.

Piruvat dapat mengalami berbagai jalur reaksi yang berbeda sehingga merupakan titik cabang metabolisme karbohidrat. Sebagian dari jalur tersebut berlangsung dengan beberapa tahap reaksi. Penambahan gugus amino akan mendorong pembentukan alanina dari piruvat. Sebaliknya, reaksi perubahan alanina menjadi piruvat merupakan salah satu jalan masuknya asam amino kedalam jalur metabolisme karbohidrat. Adanya CO2 yang berlebih mendorong terjadinya oksalasetat dari piruvat. Reaksi bolak-balik piruvat-laktat, seperti telah dibahas sebelumnya, merupakan jalur titik akhir sitesis laktat. Metabolisme laktat berlangsung dengan terlebih dulu mengubahnya kembali menjadi piruvat. Dalam keadaan normal, bila jumlah persediaan oksigen dalam jaringan otot cukup banyak, piruvat tidak diubah menjadi laktat melainkan didekarboksilasi menjadi asetilkoenzim-A. Melalui jalur metabolisme glukoneogenesis, piruvat dapat diubah menjadi glukosa atau glikogen. Proses dekarboksilasi piruvat dapat berlangsung dengan dua cara, bergantung pada jasadnya. Di dalam sel ragi, piruvat didekarboksilasi dengan mekanisme yang sederhana, menjadi asetaldehida yang kemudian diubah menjadi etanol. Reaksi ini merupakan dasar fermentasi alcohol. Cara dekarboksilasi lainnya adalah perubahan piruvat menjadi asetilkoenzim-A melalui beberapa tahap reaksi enzim yang lebih kompleks

BAB IIIPENUTUP

3.1 KesimpulanBiokimia merupakan cabang ilmu yang mempelajari tentang makhluk hidup. Energi sangat diperlukan oleh setiap makhluk hidup. Metabolisme merupakan transformasi energi dengan menggunakan reaksi kimia. Metabolisme juga dapat diartikan sebagai semua reaksi kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup. Metabolisme dibagi menjadi 2 macam yaitu Katabolisme dan Anabolisme.Katabolisme merupakan reaksi pemecahan senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Sedangkan Anabolisme merupakan peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa yang lebih kompleks. Reaksi yang dapat berlangsung selalu menghasilkan energi bebas dan dinamakan reaksi eksergonik. Reaksi yang memerlukan energi bebas adalah reaksi endergonik, reaksi seperti ini tidak dapat berdiri sendiri. Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang berbunyi bahwa energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Kaidah kedua berbunyi bahwa entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Rantai respirasi adalah rangkaian proses transfer elektron hidrogen yang terjadi pada bagian membran dalam mitokodria dengan melibatkan sejumlah enzim. Hasil akhir dari rangkaian proses transfer electron ialah sejumlah energi berbentuk ATP yang diperlukan dalam berbagai aktivitas organisme hidup.

3.2 SaranDengan selesainya makalah ini diharapkan bagi mahasiswa keperawatan agar bisa menambah pengetahuan dan wawasannya mengenai mata kuliah biokimia dan mampu menerapkannya dalam membaerikan asuhan keperawatan di rumah sakit.

36