Upload
farid-rohman
View
2.280
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
Energi dan Metabolisme sel Energi : materi, the capacity to do work Energi dibutuhkan semua benda hidup Matahari -> sumber energi utama Tumbuhan menangkap 0.02% energi matahari
(energi matahari energi kimia dlm molekul organik Energi kimia dari tumbuhan ke binatang &
manusia Hukum termodinamika I: Energi tidak bisa diciptakan
atau dimusnahkan : energi ditangkap dari lingkungan disimpan sementara digunakan untuk aktivitas biologi
Hukum termodinamika II : tidak semua energi yang ditangkap dapat digunakan untuk melakukan aktivitas, energi dikonversi ke bentuk yang kurang dapat digunakan yaitu panas (entropi)
Sel : memperoleh energi dalam berbagai bentuk Sel mempunyai mekanisme untuk konversi energi
Metabolisme sel Energi dalam sel berada dalam bentuk ATP (temporer) ATP nukleotida yang terdiri dari 3 bagian :
adenin (basa organik bernitrogen) Ribosa (gula ber-atom karbon 5) Tiga kelompok fosfat
ATP donasi energinya lewat transfer grup fosfatnya ATP + H2O ADP + Pi -- reaksi endergonik Glukosa + Fruktosa + ATP Sukrosa + ADP + Pi
ATP penghubung antara reaksi eksergonik dan endergonik dan antara katabolisme dan anabolisme
Energi dapat ditransfer dalam reksi redox (reduksi-oksidasi) Oksidasi: proses kimia dimana substrat kehilangan
elektron Reduksi : proses kimia dimana substrat mendapatkan
elektron
ATPADP +
Pi
Reaksi eksergonik(melepas energi)
Reaksi endergonik(perlu energi)
Enzim biokatalis
Katabolisme Rangkaian reaksi kimia pemecahan senyawa kompleks
menjadi senyawa sederhana: substrat awal (molekul besar)
dan substrat akhir (molekul kecil) Bersifat eksergonik (menghasilkan/melepaskan
energi) Bertujuan untuk pembongkaran/penguraian molekul Fungsi :
- Menyediakan bahan baku untuk sintesis molekul lain- Menyediakan energi kimia untuk aktivitas sel
Meliputi :1. respirasi aerob, 2. respirasi anaerob, dan 3. fermentasi
Katabolisme lanjutan1. Respirasi aerob
respirasi seluler yang membutuhkan oksigen terdapat pada kebanyakan sel eukariot dan prokariot substrat dikatabolisme menjadi karbondioksida dan
air Contoh :
tumbuhan, binatang, fungi, bakteri menggunakan respirasi aerobik untuk memperoleh energi dari glukosa, yang masuk sel lewat difusi terfasilitasi
proses redox, dimana elekron ditransfer dari glukosa (teroksidasi) ke oksigen (tereduksi)
Ringkasan reaksi :C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O 6CO2 + 12 H2O + ATP (dalam bentuk bonds ATP energi untuk memecah ikatan kimia)
Reduksi
Oksidasi
Katabolisme lanjutan
1. Respirasi aerob punya 4 tahapan :
a. Glikolisis di sitosolb. Pembentukan Asetil Co-A c. Siklus Asam Sitrat (Krebs) di dalam mitokondriad. Sistem Transport elektron
BernapasO2 CO2
Paru-paru
Sel-sel otot
O2CO2
Repirasi seluler
Glukosa + O2 CO2 + H2O + ATP
Aliran darah
1.a. Glikolisis
• di dalam sitoplasma sel- sitosol• degradasi glukosa menjadi asam piruvat• Atom hidrogen ditransfer ke hydrogen carrier NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) membentuk NADH • 2 ATP dihasilkan
• Pemecahan 1 molekul glukosa atau karbohidrat lain menjadi :
• 2 molekul asam piruvat• 2 molekul NADH• 2 molekul ATP
C6H12O6 + 2ATP + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 piruvat + 4ATP + 2NADH + H2O
1.a. Glycolisis
1.b. Pembentukan Acetyl Coenzyme-A (Co-A) • terjadi di dalam mitokondria• tiap piruvat masuk ke mitokondria akan dioksidasi menjadi asetat (2C) dan bergabung dgn coenzyme A acetyl CoA• piruvat atom hidrogen ditransfer ke NAD• 1 molekul NADH dihasilkan dan CO2 dilepas sebagai produk buangan
Reaksi :2 piruvat + 2 CoA+ 2NAD+ 2 Acetyl CoA + 2 CO2 + 2 NADH
1.c. Siklus Krebs : citric acid cycle
• terjadi di dalam matrix mitokondria • 2-carbon acetyl CoA bergabung dengan senyawa beratom C 4 membentuk asam sitrat ( 6- karbon) • Asam sitrat dapat kembali ke senyawa dengan atom C 4 • C dilepas dalam bentuk CO2
• H bergabung dengan NAD membentuk NADH2 + ATP• 1 Asam piruvat (substrat) menghasilkan:
• 2 molekul NADH• 2 molekul FADH2 (Flavin Adenin Dinukleotida H2)• 2 molekul ATP
2 Acetyl CoA + 2NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2Pi + 2H2O 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2ATP + 2CoA
1.d. Transport elektron
• terjadi di dalam membran mitokondria • tahapan akhir respirasi aerob• rantai transport ekektron• waktu elektron berpindah dari satu aseptor ke aseptor lain, sebagian energi digunakan untuk memindah ion hidrogen (proton) melewati membran dalam mitokondria, dan membentuk proton gradient• energi dari proton gradient digunakan untuk produksi ATP• 1 molekul glukosa dipecah menghasilkan 32 ATP
NADH + 3 ADP + 3Pi + ½ O2 NAD+ + 3 ATP +H2OFADH2 + 3 ADP + 3Pi + ½ O2 FAD+ + 2 ATP +H2O
ATP yang dihasilkan dari pemecahan glukosa menjadi CO2 dan H2O adalah 36 ATP (2 ATP dari glikolisis, 2 ATP
dari Siklus Krebs dan 32 ATP dari Sistem Transport Elektron)
Energi yang dihasilkan dari oksidasi glukosa oleh respirasi aerob
Glikolisis
Glukosa
Piruvat
Acetyl coenzyme A
Transpot Elektron & kemiosmosis
Siklus Krebs
2 ATP
2 ATP
32-34 ATP
Tahapan Respirasi Aerob
Ringkasan Materi Awal Produk
Glikolisis(dalam sitosol)
Glukosa diubah jdai piruvat; hasil 2 ATP; atom H ditransfer ke carrier; dapat terjadi secara anaerob
Glukosa, ATP, NAD+, ADP, Pi
Piruvat, ATP, NADH
Pembentukan Asetil CoA(dalam matriks mitokondria)
Piruvat diubah dan digabung dgn CoA asetil CoA; atom H ditransfer ke carrier; pelepasan CO2
Piruvat, coenzyme A, NAD+
Acetyl CoA, CO2, NADH
Siklus Krebs(dalam matriks mitokondria)
Asetil CoA diubah menjadi CO2; atom H ditransfer ke carrier; sintesis 2 ATP
Acetyl CoA, H2O, ADP, Pi, NAD, FAD
CO2, NADH, FADH2, ATP
Transport elektron (dalam membran miokondria)
Transport beberapa elektron; energi digunakan untuk membentuk protont gradient; ATP disintesis; oksigen sbg aseptor elektron
NADH, FADH2, O2, ADP, Pi
ATP, H2O, NAD+, FAD
Ringkasan Respirasi Aerob
Substrat selain glukosa yang dipakai pada Respirasi Aerob
Protein Asam amino (misalnya alanin) diubah mjd piruvat Asam amino diubah ke Acetyl CoA Glutamat ketoglutarat, aspartate
oxaloaceatet : sebagai senyawa intermediet pada Siklus asam sitrat
Produk akhir NH3 Lipid
Gliserol diubah ke Glukosa 3 Phosphate (GP3) dan masuk ke Glikolisis
Asam lemak dioksidasi membentuk gugus acetyl bergabung dgn CoA membentuk Acetyl CoA
Sel menggunakan berbagai molekul organik sebagai fuel pada respirasi seluler
Makanan
karbohidrat lemak protein
glukosa gliserol Asam lemak
Asam amino
GlukosaG3Ppirivat
GLIKOLISIS
Asetil CoA
Grup amino
Siklus asamSitrat
Elektron transport
ATP
Katabolisme lanjutan2. Respirasi anaerob
Tidak menggunakan oksigen sebagai aseptor terakhir Pada sejumlah bakteri yang hidup di lingkungan
anaerob (misalnya tanah tergenang, intestinum hewan)
Substrat : glukosa elektron ditransfer dari glukosa ke NADH Kemudian ke transport elektron disertai sintesis
ATP Nitrat (NO3-) /sulfat (SO42-) dapat menggantikan
oksigen (sebagai aseptor elektron) Produk akhir : CO2, 1/lebih substansi anorganik dan
ATP Contoh reaksi : (pada siklus nitrogen) C6H12O6 + 12 KNO3 6CO2+6H2O+12KNO2+
+ATP
Katabolisme lanjutan
3. Fermentasi
Misalnya pada bakteri dan beberapa fungi tidak memakai electron transport chain
Hanya 2 ATP terbentuk per glukosa (fosforilasi substrat lewat glikolisis)
NADH transfer hidrogen ke molekul organik, dan kembali ke NAD+ glikolisis tetap berlangsung
Produk substansi organik (alkohol/laktat) Fermentasi alkohol (oleh ragi) pembuatan tape, bir
dll. C6H12O6 2CO2 + 2 ethyl alkohol + 2 ATP Fermentasi laktat (pada fungi, bakteri, sel otot
hewan) C6H12O6 2 laktat + 2 ATP
Fermentasi
FoodRaw Material
Fermentor
Pickles Cucumber Leuconostoc mesenteroidesLactobacillus
Chocolate Cacao bean Saccharomyces cerevisiaeCandida rugosaKluyveromyces marxianus
Bread Flour Saccharomyces cerevisiae
Coffee Coffee bean Erwinia dissolvens
Sauerkraut Cabbage Leuconostoc plantarum
Soy sauce Soya bean Aspergillus oryzae
Table 1. Some examples of foods which uses fermentation in their production.
• Reaksi kimia untuk pembentukan senyawa kompleks
dari molekul sederhana
• Bersifat endergonik, membutuhkan ATP atau energi
dari sumber lain
• Bertujuan untuk penyusunan /sintesis suatu molekul
• Contoh : sintesis protein, asam nukleat, lemak,
polisakarida (misalnya pada fotosintesis)
Anabolisme
• Tahapan awal aliran energi pada makhluk hidup
• Sumber karbon (rangka molekul organik) dan energi
Fotosintesis
1. Cara organisme memperoleh karbon
- Autotrof : mampu memfiksasi karbon dari CO2 sebagai
sumber karbon
- Heterotrof : menggunakan molekul organik yang diproduksi oleh organisme lain sbg sumber karbon
2. Cara organisme memperoleh energi
- Fototrof: menggunakan cahaya sebagai sumber energi
- Kemotrof: menggunakan senyawa organik (mis. Glukosa), anorganik (mis: besi, sulfur, nitrat, amonia) sbg sumber energi
3. Kelompok organisme berdasar karbon dan penggunaan energi
- Fotoautotrof
- pada tumbuhan, alga, bakteri fotosintetik
- Fotoheterotrof
- Bakteri nonsulfur ungu
- Kemoautotrof
- Bakteri (untuk fiksasi karbon, energi didapat dari oksidasi molekul anorganik, mis. H2S, nitrit, ammonia)
- Kemoheterotrof
- Pada semua hewan, manusia, fungi, dan sebagian besar bakteri
Fotosintesis
Fotosintesis Perlu cahaya
• Cahaya sebagai gelombang atau partikel (photon)
• Panjang Gelombang jarak antara puncak satu ke puncak lain pada gelombang
• Gelombang elektromagnet:
Gelombang TV & Radio – infrared -visible light -UV- X - Gamma
Merah orange kuning hijau biru ungu
• Makin panjang gelombang makin lemah energinya
• Cahaya untuk fotosintesis visible light (di antara infrared dan UV)
• Molekul menyerap photon elektronnya terenergize elektron pindah dari orbital dgn energi rendah ke orbital berenergi tinggi
Fotosintesis
Visible light
Tempat Fotosintesis
• Pada kloroplas (organel bermembran rangkap) di sel mesofil
• membran dalam mengelilingi cairan yg disebut stroma, berisi enzim untuk pembentukan karbohidrat)
• Di dalam stroma ada sistem membran, membentuk piringan dsbt thyllakoid dgn ruang dalam lumen thylakoid; kantong thylakoid bertumpuk grana. Pada membran thylakoid terjadi transport elektron
• Pada organisme prokariotik tdk ada kloroplas, tp membran thylakoid ada di bagian perifer dekat membran plasma
• Dalam kloroplas (pada membran thylakoid) ada klorofil
• Klorofil terikat pada membran thylakoid dgn chlorophyll binding protein
• Klorofil terdiri dari 2 bagian, cincin porphyrin (C, N) sebagai penangkap cahaya dan rantai hidrokarbon
• Klorofil paling berperan klorofil a
• Klorofil a : gugus methyl (-CH3) menyerap sinar hijau terang ; klorofil b : gugus carbonyl (-CHO) menyerap sinar kuning hijau . Gugus ini terdapat pada cincin porphyrin
Fotosintesis
Tempat Fotosintesis lanjutan
• Dalam sel mesofil ada pigmen non kloroplas kromoplas
• Berisi pigmen karotenoid (kuning dan orange)
• Pigmen ini menyerap sinar bergelombang lain dan berfungsi proteksi bagi klorofil dan proteksi komponen fotosintesis lain dari kerusakan energi cahaya
• Pigmen karotenoid dapat berubah menjadi klorofil a
Reaksi Fotosintesis• Energi cahaya dikonversi ke energi kimia dalam karbohidrat,
oksigen dilepas sebagai produk samping
• 6 CO2 + 12 H2O + cahaya + klorofil glukosa + 6 O2 + 6 H2O
• CO2 mengalami reduksi dan H2O mengalami oksidasi
• Reaksi fotosintesis melibatkan 2 unit fotosintetik : Fotosistem I dan Fotosistem II.
Fotosistem : Tiap Fotosistem terdiri dari atas :
antenna complexes (pigmen klorofil a+b dan pigmen lain yang melekat pada membran thyllakoid dgn perantara pigmen-binding protein)
reaction center (kompleks molekul klorofil dan protein, termasuk komponen transfer elektron yang berpartisipasi pada fotosintesis),
Pigmen pada kompleks antenna menyerap energi cahaya dan ditransfer dari molekul pigmen satu ke pigmen lain sampai mencapai reaction center
Energi cahaya dikonversi ke energi kimia dalam reaction center dgn reaksi transfer elektron berseri
Reaksi fotosintesis terdiri dari 2 bagian :- Reaksi terang (Light dependent reaction) - Reaksi gelap /fiksasi karbon/synthesis
Reaksi Terang:Terjadi pada membran thylakoid
Konversi energi cahaya ke energi kimia
Terdiri dari :
Photochemical reactions:
Klorofil teraktivasi, reaction center mentransfer elektron ke
electron acceptor. Cahaya, klorofil elektron
Electron transport
Elektron ditransport sepanjang aseptor elektron pada membran
thylakoid, elektron mereduksi NADP+, memecah air dan H+
terakumulasi di dalam ruang thilakoid
elektron , NADP+, H2O, aseptor elektron NADPH, O2
Chemiosmosis energi dari elektron sebagian tdk lepas, tapi untuk sintesis ATP fotofosforilasi. Proton gradient, ADP,Pi ATP
Transport elektron:
Non Cyclic : berkaitan dengan Fotosistem I dan Fotosistem II
Pigmen pada kompleks antena menyerap photon cahaya
Energi ditransfer ke reaction center, melepas elektron
Energized electron ditransfer ke elektron aseptor primer ke aseptor berikutnya pada electron transport chain sampai ke feredoxin (protein- ion Fe)
Feredoxin transfer elektron ke NADP+ NADPH (dilepas ke stroma)
Elektron yang sudah dilepas tergantikan oleh elektron lain dari Fotosistem II
Fotosistem II juga teraktivasi transport elektron sepanjang rantai transport elektron . H2O dipecah (fotolisis) ½ O2 + H2+ + 2e . ATP terbentuk. O2 dari fotolisis ini sumber O2 di atmosfer
ATP dan NADPH dilepas ke stroma (untuk fiksasi C)
elektron kehilangan energi saat melewati rantai transport elektron, sebagian digunakan untuk memompa proton dari stroma melewati membran thylakoid ke lumen thylakoid
Transport elektron:
Cyclic : berkaitan dengan Fotosistem I saja
the simplest light dependent reaction
cyclic energized electron dari P700 kembali ke P 700
elektron kehilangan energi saat melewati rantai transport elektron, sebagian digunakan untuk memompa proton dari stroma melewati membran thylakoid ke lumen thylakoid
ATP dibentuk, NADPH tidak terbentuk, H2O tidak dipecah dan oksigen tidak terbentuk
Perbandingan Transport elektron
Non Cyclic Cyclic
Electron source H2O None-electron cycle
trough the system
Oxygen released? Yes No
Terminal electron NADP+ None
Form energy captured ATP, NADPH ATP
Photosystem required PS I & PS II PS I
Reaksi Terang:
Proses:
klorofil menangkap cahaya elektron berpindah ke orbital yg lebih
tinggi tbtk energized electron elektron ini ditrasport ke molekul
aseptor elektron sepanjang rantai transport elektron, diikuti dengan
pemecahan H2O oksigen dilepas . Energi dari elektron digunakan
untuk fosforilasi ADP membentuk ATP, sementara coenzym NADP+
direduksi menjadi NADPH
Materi awal :
cahaya, klorofil, H2O, elektron, aseptor elektron, ADP, Pi, NADP+
Produk akhir : ATP, NADPH, O2
Reaksi gelap/Fiksasi karbon:
-Terjadi di dalam stroma kloroplas sebagai Siklus Kalvin
- 12 NADPH + 18 ATP + 6 CO2 Glukosa+12 NADP+ +18 ADP +18 Pi +6 H2O
- Tergantung produk reaksi terang & terdiri dari 3 tahapan (13 reaksi) :
- CO2 uptake: reaksi tunggal
- CO2 bergabung dengan ribulosa biphosphate (RuBP), gula beratom karbon 5 dgn bantuan enzym Rubisco (ribulose biphosphate carboxylase)
-Produk akhir : PGA (phosphoglycerate acid molekul beratom karbon 3)
- Carbon reduction :
- ATP dan NADPH (dari reaksi terang) digunakan untuk konversi PGA ke G3P (glyceradehyde -3-phosphate)
-2 G3P terbentuk untuk tiap 6CO2 yang masuk ke siklus Kalvin
-Eksergonik
- dapat membentuk glukosa/fruktosa sukrosa/selulose/tepung
- RuBP regeneration
- Sisa G3P digunakan untuk sintesa RuBP
Fotosintesis
Perbandingan fotosintesisPerbandingan fotosintesis
Tanaman C3Tanaman C3 Siklus Calvin di sel Siklus Calvin di sel
mesofil mesofil Sel-sel selubung Sel-sel selubung
berkas pengangkut berkas pengangkut tidak berklorofiltidak berklorofil
Tanaman C4Tanaman C4
Perbandingan fotosintesisPerbandingan fotosintesisTanaman C3 Tanaman C4 Tanaman CAM
Fiksasi CO2 di siang hari di sel mesofil
Enzim : Rubisco
Siklus Calvin di sel mesofil
Sel-sel selubung berkas pengangkut tidak berklorofil
Fiksasi CO2 di siang hari di sel mesofil senyawa 4 C (oksaloasetat) malate piruvat (3C)
Enzim: PEP carboxylase
DSiklus Calvin di sel –sel selubung berkas pengangkut yg berklorofil
Fiksasi CO2 di malam hari Membentuk oksaloasetat malate disimpan di vakuola sel mesofil
Enzim: PEP carboxylase
Di siang hari CO2 dilepas dari malate & digunakan untuk siklus Calvin di sel mesofil
C3 & C4 berbeda lokasi C3 & CAM berbeda waktu, sel untuk fiksasi karbon sama