Proses oksidasi Peranan enzim, koenzim dan logam dalam oksidasi biologi Transfer elektron dalam sel Hubungan rantai pernapasan dengan senyawa fosfat berenergi tinggi Oksidasi hidrogen (H) dalam mitokondria Struktur dan fungsi mitokondria Proses transfer elektron di mikrosom Proses oksidasi reduksi di sel darah merah Oksidasi biologi - 2 Secara sederhana, oksidasi berarti reaksi dari material dengan oksigen Oleh karena itu diberi nama OKSIDASI BIOLOGI PADA MAKHLUK HIDUP Secara kimiawi: Oksidasi berarti melepaskan elektron atau menerima oksigen, yang sering diikuti dengan reduksi. Reduksi berarti menerima elektron atau melepaskan oksigen. Oksidasi biologi - 3 Oksidasi biologi - 4 1
Reaksi biokimia dalam organisme hidup pada dasarnya adalah transfer ENERGI (ATP), yang melibatkan reaksi oksidasi dan reduksi. ATP dihasilkan melalui fosforilasi ADP Fosforilasi tingkat substrat adalah transfer PO 4 - energi tinggi ke ADP. Semua molekul mengandung elektron sebagai bagian dari atomatom yang menyusun molekul. Setiap molekul memiliki energi (potensial) untuk memberi dan menerima elektron dari molekul lainnya. NAD + NADH NAD + adalah senyawa intermediate (pembawa energi). Oksidasi biologi - 5 Oksidasi biologi - 6 Dalam sistem biologikal, elektron adalah atom hidrogen (H + ). Oksidasi biologikal seringkali berupa DEHIDROGENASI (pelepasan pasangan atom hidrogen dari substrat mereka). Sebagian besar energi sel diperoleh dari reaksi oksidasi reduksi. Energi disimpan dalam ikatan kovalen diantara fosfat, dengan jumlah energi terbesar (± 7 kcal/mole) dalam ikatan diantara gugus fosfat kedua dan ketiga. Ikatan kovalen ini disebut ikatan pirofosfat. Terdapat beberapa reaksi oksidasi-reduksi di dalam sel, baik selama katabolisme maupun anabolisme. Proses respirasi seluler : glikolisis, siklus Kreb s, dan rantai transport elektron adalah reaksi biokimia yang melibatkan transfer elektron melalui reaksi OKSIDASI REDUKSI. Oksidasi biologi - 7 Oksidasi biologi - 8 2
Proses pemecahan glukosa, dimana glukosa di oksidasi menjadi dua molekul 3-carbon (piruvat). Glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO 4 + 2 NAD + 2 pyruvic acid + 4 ATP + 2 NADH + 2H + Catatan: Energi yang dilepaskan dari glukosa dapat digunakan untuk memfosforilasi (penambahan gugus fosfat) pada ADP, membentuk ATP. Glikolisis terjadi didalam sitoplasma. Tiga bagian glikolisis: Pemakaian energi (preparatory stages). Pemecahan gula 6- carbon menjadi dua gula 3-carbon (asam piruvat) Produksi energi (Energy-Conserving Stage). Oksidasi biologi - 9 Oksidasi biologi - 10 Digunakan 2 ATP Glukosa dipecah untuk membentuk 2 Glucose-3- phosphate 1 2 3 4 Glucose Glucose 6-phosphate Fructose 6-phosphate Fructose 1,6-diphosphate 2 Glucose-3- phosphate dioksidasi menjadi 2 asam piruvat Dihasilkan 4 ATP Dihasilkan 2 NADH 6 1,3-diphosphoglyceric acid 7 3-phosphoglyceric acid 8 2-phosphoglyceric acid 9 5 Dihydroxyacetone phosphate (DHAP) Glyceraldehyde 3-phosphate (GP) 10 Phosphoenolpyruvic acid (PEP) Oksidasi biologi - 11 Pyruvic Oksidasi acid biologi - 12 3
Oksidasi biologi - 13 Oksidasi biologi - 14 Oksidasi biologi - 15 Oksidasi biologi - 16 4
Jika oksigen berlimpah, sel akan merubah asam piruvat menjadi asetil-koa. Asam piruvat (dari glikolisis) di oksidasi dan di dekarboksilasi. 2(Pyruvate - + Coenzyme-A + NAD + Acetyl-CoA + CO 2 + NADH). Pembentukan asetil-koa adalah TAHAP TRANSISI untuk mempersiapkan asam piruvat masuk kedalam siklus Kreb s. Oksidasi biologi - 17 Oksidasi biologi - 18 Molekul 3-carbon (acetyl-coa) di oksidasi lebih lanjut menjadi karbon dioksida. 2(Acetyl CoA + 3NAD + + FAD + GDP 3- + HPO 4 2- + 2H 2 O 2CO 2 + 3NADH + FADH 2 + GTP 4- + 2H + + Coenzyme-A). Dalam proses glikolisis dan siklus Kreb s hanya dihasilkan 4 molekul ATP atau GTP (molekul energi yang mirip dengan ATP) per-molekul glukosa. Hasil ini jauh dibawah jumlah yang diperlukan oleh tubuh untuk berfungsi secara normal. Akan tetapi, selama oksidasi glukosa, sejumlah besar NADH dan FADH 2 diproduksi. Agent pereduksi ini secara dramatis meningkatkan jumlah ATP yang diproduksi. Dengan demikian, BAGAIMANA TUBUH MENGHASILKAN ATP LEBIH BANYAK LAGI? Oksidasi biologi - 19 Oksidasi biologi - 20 5
Rantai transport elektron terjadi didalam lipatan membran dalam mitokondrial (cristae). Sistem ini akan menggunakan energi yang tersimpan dalam NADH dan FADH2 untuk menghasilkan ATP. NADH dan FADH2 yang terakumulasi selama proses glikolisis, reaksi transisi, dan siklus Kreb s akan mentransfer atomatom hidrogen ke komponen-komponen dari rantai transport elektron. Selama transport, hidrogen dan elektron ditransfer ke akseptor dengan cara proton dipompa melintasi membran mitokondrial bagian dalam. Hal ini menghasilkan gradien elektrochemical yang kemudian digunakan untuk fosforilasi ADP sambil proton berdifusi kembali melintasi membran. Oksidasi biologi - 21 Oksidasi biologi - 22 Melalui rangkaian reaksi fosforilasi oksidatif. Oksidasi NADH terangkai dengan reaksi fosforilasi ADP. Selain itu, reaksi reduksi akan menyertai oksidasi NADH. Reaksi oksidasi selalu disertai reaksi reduksi, karena elektron yang diberikan oleh satu gugus harus diterima oleh gugus lainnya. Dalam hal ini, molekuler oksigen adalah akseptor elektron, maka pada tahap akhir rangkaian ini, elektron ditransfer ke oksigen dan terbentuk air. Membran luar Mempertahankan bentuk mitokondria. Sangat permeabel terhadap molekul kecil. Ruang antarmembran Terdapat enzim creatine kinase & adenylate kinase. Membran dalam Struktur yang berlibat-lipat & tidak permeabel terhadap molekul & ion. Kaya dengan protein. Cristae Struktur yang berlipat-lipat dari membran dalam. Matrix Mengandung enzim untuk siklus Kreb s dan oksidasi asam lemak. Mengandung DNA, ribosome dan protein yang diperlukan untuk sintesis protein. Oksidasi biologi - 23 Oksidasi biologi - 24 6
FUNGSI MITOKONDRIA: Transport Digunakan untuk memindahkan substansi melintasi membran bagian dalam. Rantai respirasi Kompleks yang bertanggung jawab untuk produksi ATP dari sumber energi memerlukan oksigen. ATP synthase Digunakan untuk fosforilasi ADP. Enzim yang terlibat dalam proses oksidasi dan reduksi diberi nama oksidoreduktase. Mengkatalisis reaksi oksidasi atau reduksi Bekerja pada beberapa gugus kimia untuk menambahkan atau melepaskan atom hidrogen Diklasifikasi menjadi empat kelompok: Oksidase Dehidrogenase Hidroperoksidase Oksigenase Oksidasi biologi - 25 Oksidasi biologi - 26 Enzim oksidase menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim oksidase mengkatalisis pelepasan hidrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim tersebut membentuk air atau hidrogen sebagai produk reaksi. Sebagian enzim oksidase mengandung logam. Fe. Cu. Golongan enzim ini mengkatalisis substrat yang bergugus fungsional. Contoh enzim dehidrogenase adalah suksinat dehidrogenase, glutamat dehidrogenase dan sebagainya. Oksidasi biologi - 27 Oksidasi biologi - 28 7
Terdapat dua koenzim penting dalam reaksi oksidasi reduksi: NAD. FAD. Eritrosit tidak memiliki mitokondria oleh karena itu, glukosa digunakan hanya sebagai sumber energi utama. Tanpa glukosa, sel darah merah akan mati. Sel-sel darah membawa O 2 dari paru-paru ke jaringan. Tanpa sel-sel darah merah, kebanyakan jaringan tubuh akan menderita kekurangan energi karena mereka memerlukan O 2 untuk menyempurnakan perubahan makanan menjadi CO 2 dan H 2 O. Jalur utama dari metabolisme karbohidrat dalam sel darah merah adalah: Glikolisis. PPP (Pentose Phosphate Pathway). Metabolisme 2,3- bisphosphoglycerate (2,3- BPG). Oksidasi biologi - 29 Oksidasi biologi - 30 Sumber energi (ATP) eritrosit diperoleh melalui proses glikolisis anaerobik dalam sitosol. Pada glikolisis anaerobik piruvat yang terbentuk dirubah menjadi laktat dan kemudian dilepaskan kedalam darah. Glikolisis memberikan ATP untuk pompa ion membran dan NADH untuk reoksidasi methemoglobin. PPP dalam erythrocyte merupakan jalur penting untuk memproduksi NADPH. Gangguan dalam produksi NADPH dapat mempengaruhi kelangsungan hidup eritrosit. NADPH untuk mempertahankan kondisi reduksi dari glutathione. Glutathione membuang peroxide melalui aksi glutathione peroxidase. Oksidasi biologi - 31 Oksidasi biologi - 32 8
Ketidakmampuan untuk mempertahankan glutathione tereduksi dalam sel darah merah berperan terhadap peningkatan akumulasi peroxide, terutama H 2 O 2, yang mengakibatkan melemahnya dinding sel dan hemolysis. Akumulasi H 2 O 2 juga berperan terhadap peningkatan kecepatan oksidasi hemoglobin menjadi methemoglobin yang juga melemahkan dinding sel. Sintesis 2,3-BPG merupakan jalur reaksi utama konsumsi glukosa dalam eritrosit. Sintesis 2,3-BPG penting untuk mengontrol afinitas hemoglobin terhadap oksigen. Catatan, bila glukosa teroksidasi oleh jalur ini, maka eritrosit akan kehilangan kemampuan untuk memperoleh 2 mole ATP dari oksidasi glikolitik dari 1,3-BPG menjadi 3-phosphoglycerate melalui reaksi phosphoglycerate kinase. Oksidasi biologi - 33 Oksidasi biologi - 34 9