Respirasi seluler dr.syazili Mustofa, M. Biomed Lektor Mata Kuliah Ilmu Biomedik Fakultas Kedokteran Universitas Lampung Bahasan 1. metabolisme oksidatif dan produksi ATP 2. Siklus asam sitrat 3. fosforilasi oksidatif dan fungsi mitokondria 4. produksi ATP dari glukosa (glikolisis) 5. Oksidasi dari asam lemak dan benda keton 1
Transformasi energi pada metabolisme bahan bakar Saat terjadi respon seluler, misalnya kontraksi otot, akanterjadi transformasi energi. ATP akan dipecah menjadi ADP dan fosfat inorganik Pada respirasi seluler O2 digunakan untuk menghasilkan ATP melalui proses oksidasi bahan bakar menjadi CO2. Transformasi energy ini pada dasarnya dapat dibagi menjadi 3 fase ; (1) Oksidasi bahan bakar (lemak, protein, karbohidrat), (2) perubahan energy dari oksidasi bahan bakar menjadi ikatan fosfat berenergi tinggi pada ATP, dan (3) penggunaan energi yang terikat fosfat pada ATP untuk melangsungkan proses yang memerlukan energi. Dua fase awal adalah bagian dari respirasi seluler. Respirasi seluler menggunakan O2 dan energi yang dihasilkan dari oksidasi bahan bakar untuk menghasilkan ATP. Jadi, pada dasarnya, kita perlu bernafas karena sel sel kita memerlukan O2 untuk menghasilkan ATP yang cukup. Produksi ATP tersebut berasal dari oksidasi bahan bakar menjadi CO2. Respirasi seluler menggunakan lebih dari 90% )2 yang kita hirup. 2
Respirasi seluler Pada fase 1 respirasi, energi dari oksidasi bahan bakar di simpan di koenzim NAD+ dan FAD, yang langsung akan direduksi menjadi NADH dan FADH2. Penyimpanan tersebut dikatalis oleh enzim yang mampu memindahkan electron dari bahan bakar ke koenzim yang mampu menerima electron tersebut (NAD+ dan FAD). 3
Mitokondria Mitokondria Membran dalam mitokondria membentuk infoldings, disebut krista, yang membentuk matriks mitokondria. Sebagian besar enzim untuk siklus TCA, oksidasi asam lemak, dan untuk sintesis DNA mitokondria ditemukan dalam matriks. ATP synthase dan kompleks protein dari rantai transpor elektron yang tertanam dalam membran mitokondria bagian dalam. Membran mitokondria luar permeabel terhadap ionion kecil, tapi membran dalam mitokondria kedap. 4
Glikolisis Siklus ATP-ADP 5
Hydrolisis ATP menjadi ADP dan inorganic phosphate (Pi). Terjadi karena pemutusan ikatan fosfodiester antara molekul fosfat 6
Fosforilasi oksidatif Reduksi NAD+ dan NADP+ 7
Reduksi FAD Siklus asam sitrat 8
Fosforilasi oksidatif. Panah Biru menunjukkan jalur transportasi elektron dari NADH ke O2. elektron akan melewati rantai, proton dipompa dari matriks mitokondria ke ruang antarmembran, sehingga membentuk suatu gradien potensial electochemical, melintasi membran mitokondria bagian dalam. Muatan positif dan negatif pada membran menunjukkan potensial membran. Aliran proton ke dalam matriks melalui pori di ATP synthase, akan menghasilkan energi. Energi inilah yangakan digunakan untuk membentuk ATP dari ADP dan Pi. 9
Glikolisis dan TCA Glukosa adalah bahan bakar universal untuk sel manusia. Setiap jenis sel pada manusia mampu menghasilkan adenosin trifosfat (ATP) dari glikolisis, jalur di mana glukosa dioksidasi dan dibelah untuk membentuk piruvat. glikolisis sangat penting karena menyangkut ketersediaan bahan bakar dan adanya ketersediaan glukosa dalam darah, serta kemampuan glikolisis untuk menghasilkan ATP baik dengan adanya O2 atau tidak. Glukosa adalah gula utama dalam makanan kita, dan, gula yang beredar dalam darah untuk memastikan bahwa semua sel memiliki pasokan bahan bakar terus menerus. Otak menggunakan glukosa hampir secara eksklusif sebagai bahan bakar. 10
11
12
Glycerol 3- phosphate shuttle. Because NAD and NADH cannot cross the mitochondrial membrane, shuttles transfer the reducing equivalents into mitochondria. Dihydroxyacetone phosphate (DHAP) is reduced to glycerol-3-p by cytosolic glycerol 3-P dehydrogenase, using cytosolic NADH produced in glycolysis. Glycerol-3-P then reacts in the inner mitochondrial membrane with mitochondrial glycerol-3-p dehydrogenase, which transfers the electrons to FAD and regenerates DHAP, which returns to the cytosol. The electron transport chain transfers the electrons to O2, which generates approximately 1.5 ATP for each FAD(2H) that is oxidized Glucose, produced in the liver by gluconeogenesis, is converted by glycolysis in muscle, red blood cells, and many other cells, to lactate. Lactate returns to the liver and is reconverted to glucose by gluconeogenesis. 13
Fungsi biosintetik glikolisis Tempat utama regulasi jalur glikolitik Hexokinase dan phosphofructokinase-1 adalah enzim utama mengatur glikolitik di otot Aktivitas pyruvate dehydrogenase pada mitokondria yang menentukan apakah pyruvate diubah menjadi lactate atau menjadi acetyl CoA. 14
Pathwa ys leading to lactic acidemi a. Ikhtisar metabolisme asam lemak rantai panjang di mitokondria. (1) Fatty acid binding proteins (FaBP) memindahkan asam lemak melintasi membran plasma dan mengikat mereka dalam sitosol. (2) Fatty asil CoA sintetase mengaktifkan asam lemak menjadi lemak asil COA. (3) Carnitine mengangkut lemak gugus asil yang diaktifkan ke dalam mitokondria. (4) beta oksidasi menghasilkan NADH, FAD (2H), dan asetil CoA (5) Dalam hati, asetil CoA diubah menjadi benda keton 15
Activation of a fatty acid by a fatty acyl CoA synthetase Major metabolic routes for longchain fatty acyl CoAs. 16
Transport of long-chain fatty acids into mitochondria. Beta oksidasi 17
The ketone bodies, acetoacetate and -hydroxybutyrate, are synthesized in the liver. 18
Synthesis of the ketone bodies acetoacetate, Oxidation of ketone bodies. 19
Regulation of ketone body synthesis. 20