2.1.1 Definisi Bioenergetika Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reksi 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. Hukum atau Kaidah termodinamika dalam sistem biologik 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. 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 = H TS Keterangan: H adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat H kurang lebih sama dengan E, yaitu perubahan total energi internal di dalam reaksi, maka hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan: G = E TS Jika G bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika G sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa 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 keseimbangan dan tidak ada perubahan yang terjadi. 2.1.2 Siklus Bioenergetika ATP sebagai sumber energi untuk metabolisme didalam sel berlangsung dengan suatu mekanisme mendaur.atp berperan sebagai alat angkut energi kimia dalam reaksi katabolisme 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 inidialirkan ke proses reaksi yang membutuhkan energi dan dihidrolisis menjadi ADP dan fosfat anorganik Pi.Demikian seterusnya sehingga terjadilah suatu mekanisme daur ATP ADP 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 gugus fosfat lainnya selama katabolisme. 2.1.3 Terjadi dimana Terjadi salam mitokondria
2.1.4 Tujuan Bioenergetika Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk berbagai tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik maupun kimia. Dalam banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan sangat efisien menjadi bentuk yang berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya diubah menjadi energi ikatan kimia. 2.2 ATP 2.2.1 Definisi ATP ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin, ribosa dan trifosfat. Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg 2+ atau Mn2+ Sebagai pengemban energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisismenjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisismenjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). 2.2.2 Struktur ATP Struktur Fungsi Adenosin Trifosfat (ATP)- Adenosin Trifosfat (ATP) merupakan senyawa kimia berenergi tinggi, tersusun dari ikatan adenin purin terikat pada gula yang mengandung 5 atom C, yaitu ribose dan tiga gugus fosfat. Meskipun digolongkan sebagai molekul berenergi tinggi, ikatan kimianya labil dan mudah melepaskan gugus fosfatnya. Setiap melepaskan fosfatnya, akan dibebaskan energi yang langsung dapat digunakan oleh sel. Oleh karena itu, katabolisme disebut juga disimilasi atau bioenergi atau reaksi eksergonik. Di dalam katabolisme sel organisme, terjadi proses oksidasi atau reduksi senyawa (biooksidasi). Pada saat sel membutuhkan energi, ATP dapat segera dipecah melalui reaksi hidrolisis (reaksi dengan air) dan terbentuk energi yang sifatnya mobil sehingga dapat diangkut dan digunakan oleh seluruh bagian sel tersebut. Dalam banyak reaksi tubuh, perpindahan energi dilakukan bersamaan dengan dilepaskan atau dibentuknya senyawa dengan ikatan fosfat. Sumber energi utama yang mengandung senyawa fosfat adalah ATP (Adenosin trifosfat) yang memiliki 3 gugus fosfat. Senyawa ini menjadi sumber energi langsung yang dibutuhkan oleh tubuh dalam melakukan usaha (aktivitas) karena pelepasan satu gugus fosfat akan menghasilkan energi yang besar. Pada kondisi laboratorium, satu mol ATP menghasilkan energi sebesar 7,3 kkal. ATP terdiri atas gugus adenin yang mengandung gugus nitrogen, ribosa, menghasilkan 5 molekul karbon gula, serta 3 molekul fosfat 2.2.3 Penyusun dan mekanisme pembentukannya Proses pembentukan ATP di mitokondria dikenal dengan nama fosforilasi oksidatif (30-36 ATP). Jalur sintesis ini menggunakan energi yang dihasilkan dari oksidasi nutrien untuk produksi ATP. Adapun pembentukannya adalah sebagai berikut: Elektron ditransfer dari donornya (NADH) ke acceptor (cth: O2) dg reaksi redoks Di eukariota, proses ini dilakukan oleh kompleks 5 protein yg ada di dlm mitokondria: NADH-koenzim Q oksireduktase; suksinat-q oksireduktase; electron transfer flavoprotein-q oxireductase; sitokrom C-oksidase; AP sintase Energi yg dihasilkan oleh elektron melalui jalur transpor elektron ini digunakan untuk
memindahkan proton melewati membran mitokondria (dari dalam ke luar) Terbentuk energi potensial dlm bentuk gradien ph dan potensial elektrik disepanjang membran (potensial gradien di daerah membran luar lebih tinggi) Konsentrasi proton di membran luar semakin tinggi dan membuat proton kembali ke membran dlm konsentrasi yg lebih randah Energi yg tersimpan ini digunakan untuk mengalirkan proton kembali ke membran luar & menurunkan gradien melalui enzim ATP sintase Enzim ini menggunakan aliran proton yg melewatinya utk menghasilkan ATP dari ADP dengan cara reaksi fosforilasi. aliran proton yg melewati ATP sintase memaksa bagian enzim untuk berotasi 2.2.4 Peran dan jenis/macam ATP Energi ikatan kimia yang terkandung dalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksi otot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP juga digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya. Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik.proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas (eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam proses anabolisme. Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut.senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan yang bereaksi.
BAB II 2.1.1 Definisi Bioenergetika Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reksi 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. Hukum atau Kaidah termodinamika dalam sistem biologik 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. 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 = H TS Keterangan: H adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat H kurang lebih sama dengan E, yaitu perubahan total energi internal di dalam reaksi, maka hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan: G = E TS Jika G bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika G sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa 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 keseimbangan dan tidak ada perubahan yang terjadi. Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan pengalihan energi Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan pasokan energi bebas dari lingkungannya. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri tertentu menggunakan reaksi Fe 2+ à Fe 3+. Sebaliknya organisme heterotrofik, memperoleh energi bebasnya dengan melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa dan 3 gugus fosfat (lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi sebagai kompleks Mg 2+ Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki G lebih rendah dari pada G 0 pada ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai G lebih tinggi daripada
G 0 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. Gugus fosfat berenergi tinggi oleh Lipmann dilambangkan dengan ~?. Simbol ini menunjukkan bahwa gugus yang melekat pada ikatan, pada saat peralihan pada suatu akseptor yang tepat, akan mengakibatkan pemindahan kuantitas energi bebas yang lebih besar. Oleh karena itulah sebagian ahli biokimia lebih menyukai istilah potensial pemindahan gugus daripada ikatan berenergi tinggi. Berdasarkan posisi ATP pada Tabel 3.1, maka ATP merupakan donor fosfat berenergi tinggi (donor energi bebas) bagi senyawa-senyawa di bawahnya. Di sisi lain, ADP dapat menerima fosfat berenergi tinggi untuk membentuk ATP dari senyawa yang berada di atas ATP dalam tabel. Akibatnya siklus ATP/ADP menghubungkan proses-proses yang menghasilkan dan proses-proses yang menggunakan. Dengan demikian ATP terus dikonsumsi dan terus diproduksi. Proses terjadi dengan kecepatan sangat tinggi, karena depot ATP/ADP sangat kecil dan hanya cukup untuk mempertahankan jaringan aktif dalam beberapa detik saja. Ada 3 sumber utama yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi. 1. Fosforilasi oksidatif Fosforilasi oksidatif adalah sumber terbesar dalam organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam mitokondria dengan menggunakan oksigen. 2. Glikolisis Dalam glikolisis terjadi pembentukan netto dua yang terjadi akibat pembentukan laktat 3. Siklus asam sitrat Dalam siklus asam sitrat satu dihasilkan langsung pada tahap suksinil tiokinase.