Transcript
METABOLISME
Aktivitas seluler, seperti tumbuh (growand reproduce), gerak (move orchange shape) dan transport ionsecara aktif melalui membran plasmamemerlukan energi
Hukum termodinamika IJumlah energi di dunia ini konstan,artinya bahwa energi tidak dapatdiciptakan atau pun dimusnahkan.Energi hanya dapat diubah dari satubentuk ke bentuk energi yang lain.
Jumlah total energi dalam suatusistem dan lingkungan sekitarnyatetap/konstan, karena perubahanenergi berlangsung secara konstanpula.
ATP powers most cellular works Fermentation is a partial
degradation of sugar that occurs without the help of oxygen
Waste product of respirations CO2 and H2O are the very substances that chloroplasts use as raw materials for photosynthesis, thus the chemical elements essentials to life are recycled but energy is not. It flows into an ecosystem as sunlight and leaves as heat
In cpt (CO2 + H2O)
Cellular resp. in mitochondria
Perubahan/transformasi energi di dalam tubuh mahluk hidup
Berbagai reaksi kimia berlangsung di dalam sel dan jaringan tubuhorganisma hidup agar dapat tetap hidup
1. Perakitan molekul sederhana menjadi molekul yang lebihkompleks
(i) untuk membentuk struktur serta menjalankan fungsi sel
(ii) disekresikan dari sel-sel khusus untuk digunakan oleh bagianlain dari tubuh mahluk hidup.
2. Energi potensial (ikatan kimia : karbohidrat dan lipida) energi kimia (ATP) energi kinetik (mis. untuk menggerakkanotot)
Energi ini dihasilkan dari proses oksidasi selama respirasi
Metabolisme : untuk homeostasis
Anabolisme i. proses asimilasi/ penyusunan/ pembentukan molekul yang
lebih kompleks dari molekul yang sederhana
ii. Proses anabolisme seringkali memerlukan energi reaksi endergonik.
Contoh-contoh:
Homeostasis: the steady-state physiological condition of the body
sintesis protein dari asam amino, karbohidrat dari gula danlemak dari asam lemak dan gliserol
Katabolisme
i. proses pemecahan atau penguraian molekul yang kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana
ii. respirasi sel merupakan proses katabolisme, pada proses ini akan dihasilkan energi yang disimpan dalam suatu ikatan kimia (reaksi eksergonik).
Stadium I, protein, karbohidrat dan polisakarida dipecah menjadi molekul pembangun
Molekul Pembangun
Stadium II, seluruh molekul pembangun terdegradasi menjadi hasil yang umum, yaitu kelompok asetil dari asetil Ko-A
Hasil umum dari proses degradasi/ penguraian
Stadium III, katabolisme bergabung melalui siklus asam sitrat (TCA) menghasilkan H2O, CO2 dan amonia
Hasil akhir molekul sederhana
Anabolisme dan katabolisme selalu berkaitan,energi yang dihasilkan dari reaksi katabolisme akan digunakankembali pada saat terjadi penyusunan molekul baru.
Energi yang digunakan dalam metabolisme adalah energi kimia,terutama ATP.
Jalur Metabolisme
Berbagai reaksi metabolisme terjadi melalui suatu jalur yang berupaseri reaksi kimia
Manfaat jalur metabolisme digunakan untuk membangun molekul kompleks atau aktivitas metabolik yang kompleks, menguraikan molekul kompleks tersebut.
Jalur metabolisme dapat berlangsung secara linier, bercabang atau
membentuk suatu siklus.
Enzim
Reaksi kimia yang spontan dapat terjadi dengan sangat lambat
i.e. hidrolisis sukrosa („table sugar‟) menjadi glukosa dan fruktosaDalam air steril reaksi akan terjadi selama bertahun-tahun padatemperatur kamar.
Tapi jika kita tambahkan sedikit saja sukrase, sukrosa akanterhidrolisa dalam hitungan detik
Bagaimana enzim dapat melakukan hal itu?
Katalis : „a chemical agent‟ that changes the rate of a reactionwithout being consumed by the reaction
Di dalam tubuh mahluk hidup, metabolisme dibantu oleh adanyabiokatalis, yang dinamakan enzim
Mempercepat terjadinya suatu reaksi dengan menurunkan energi aktivasi
Masing-masing enzim memiliki struktur yang unik berkaitan dengan fungsinyaStruktur enzim yang spesifik ini sesuai dengan struktur molekul pereaksi/substratnya „enzymes are substrate specific
Pada suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim
Substrat akan berikatan dengan sisi aktif dari enzim („active site)membentuk kompleks sementara yang dinamakan kompleks enzim–substrat
Saat dihasilkan produk, enzim kemudian akan dibebaskan kembali tanpamengubah struktur awalnya
Oleh sebab itu, enzim dapat digunakan berulang kali untuk mengkatalisreaksi kimia berikutnya karena struktur serta fungsinya tidak berubah.
Pengaruh faktor lingkungan (fisika dan kimia) sel pada aktivitas enzim
Suhu dan pH
ko-faktor („non protein helpers‟)
(i) Inorganik: misalnya ion logam seng (Zn), tembaga (Cu) dan besi (Fe)
(ii) Organik molekul : disebut juga ko-enzimKebanyakan vitamin yang kita kenal berfungsi sebagai koenzim atau bahan dasar koenzim
Cofactor may be bound tightly to the active site as permanent residents or they may bind loosely and reversibly along with the substrate
Cofactor functions in various ways but in all cases they are necessary for catalysis to take place
Enzyme inhibitors
i. Competitive inhibitorsreduce the productivity of enzymes by blocking substrates
from entering active sites
ii. Noncompetitive inhibitorsdo not directly compete with the substrate at the active site
They binding to another part of enzyme molecule change its shape
and so
- the active site unreceptive to substrate or
- leaving the enzyme less effective at catalyzing the conversion
of substrate to product
Autotrofi
Tumbuhan hijau, alga, dan beberapa bakteri dikategorikan sebagaiorganisme yang autotrof
Menggunakan energi matahari untuk merakit prekursor anorganik,terutama CO2 dan H2O, untuk membentuk makromolekul organik(proses fotosintesis)
Heterotrofi
Organisme heterotrof mendapatkan energi dari penguraian molekulyang ada di sekitarnya (dalam bentuk makanan), yang berasal dariorganisme autotrof.
Penguraian molekul organik terjadi pada proses katabolisme (respirasi)untuk membentuk ATP
ATP dibutuhkan untuk sintesis makromolekul yang dibuatnya dalam prosesanabolisme
• Nearly all the cells in our body break down sugars for ATP production
• Most cells of most organisms harvest energy aerobically, like slow muscle fibers
– The aerobic harvesting of energy from sugar is called cellular respiration
– Cellular respiration yields CO2, H2O, and a large amount of ATP
INTRODUCTION TO CELLULAR RESPIRATION
Respiration
• Respiration banks energy in ATP molecules
• Cellular respiration breaks down glucose molecules and banks their energy in ATP
The process uses O2 and releases CO2 and H2O
• ATP powers almost all cell and activities
Glucose Oxygen gas Carbon
dioxide
Water Energy
Cells tap energy from electrons transferred from organic fuels to oxygen
• Glucose gives up energy as it is oxidized
BASIC MECHANISMS OF ENERGY RELEASE AND STORAGE
Loss of hydrogen atoms
Glucose
Gain of hydrogen atoms
Energy
Hydrogen carriers such as NAD+ shuttle electrons in redox reactions
• Enzymes remove electrons from glucose molecules and transfer them to a coenzyme
OXIDATION
Dehydrogenase
and NAD+
REDUCTION
Redox reactions release energy when electrons “fall” from a hydrogen carrier to oxygen
• NADH delivers electrons to a series of electron carriers in an electron transport chain
– As electrons move from carrier to carrier, their energy is released in small quantities
Electron flow
Figure 6.6
• In an explosion, 02 is reduced in one step
Figure 6.6B
Energy released as
heat and light
Two mechanisms generate ATP
1. Cells use the energy released by “falling” electrons to pump H+
ions across a membrane
– The energy of the gradient is harnessed to make ATP by the process of chemiosmosis
High H+
concentration
ATP synthase
uses gradient
energy to
make ATPMembrane
Energy from
Low H+
concentration
ATP
synthase
Electron
transport
chain
2. ATP can also be made by transferring phosphate groups from organic molecules to ADP
Figure 6.7B
This process is called substrate-level phosphorylation
Organic molecule
(substrate)
New organic molecule
(product)
Enzyme
Adenosine
Adenosine
Krebs cycle = citric acid cycle coz citric acid is important intermediate
= tricarboxylic acid (TCA) cycle coz citric acid and isocitric acid have 3 carboxyl groups
Overview: Respiration occurs in three main stages
Cellular respiration oxidizes sugar and produces ATP in three main stages
– Glycolysis occurs in the cytoplasm – The Krebs cycle and – the electron transport chain occur in the
mitochondria
STAGES OF CELLULAR RESPIRATION AND FERMENTATION
An overview of cellular respiration
Figure 6.8
High-energy electrons
carried by NADH
GLYCOLYSIS
Glucose Pyruvic
acid
KREBS
CYCLE
ELECTRON
TRANSPORT CHAIN
AND CHEMIOSMOSIS
MitochondrionCytoplasmic
fluid
Glycolysis harvests chemical energy by
oxidizing glucose to pyruvic acid
Glucose Pyruvic
acid
Details of glycolysis
Steps – A fuel
molecule is energized,
using ATP.
1 3
1
GlucosePREPARATORY
PHASE
(energy investment)Step
2
3
4
Glucose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
Glyceraldehyde-3-phosphate
(G3P)
Step A six-carbon
intermediate splits into
two three-carbon
intermediates.4
Step A redox
reaction generates
NADH.
5
5 ENERGY PAYOFF
PHASE
1,3-Diphosphoglyceric acid
(2 molecules)6
Steps – ATP
and pyruvic acid
are produced.
6 9 3-Phosphoglyceric acid
(2 molecules)7
2-Phosphoglyceric acid
(2 molecules)8
2-Phosphoglyceric acid
(2 molecules)
9
(2 molecules
per glucose molecule)
Pyruvic acid
Fructose-1,6-diphosphate
6.10 Pyruvic acid is chemically groomed for the Krebs cycle
• Each pyruvic acid molecule is broken down to form CO2 and a two-carbon acetyl group, which enters the Krebs cycle
Figure 6.10
Pyruvic
acid
CO2
Acetyl CoA
(acetyl coenzyme A)
6.11 The Krebs cycle completes the oxidation of organic fuel,
generating many NADH and FADH2 molecules• The Krebs cycle
is a series of reactions in which enzymes strip away electrons and H+ from each acetyl group
Figure 6.11A
Acetyl CoA
KREBS
CYCLE
2
CO2
Figure 6.11B
Oxaloacetic
acid
Step
Acetyl CoA stokes
the furnace
1
2 carbons enter cycle
Citric acid
Steps and
NADH, ATP, and CO2 are generated
during redox reactions.
2 3
CO2 leaves cycle
Alpha-ketoglutaric acid
CO2 leaves cycle
Succinic
acid
KREBS
CYCLE
Steps and
Redox reactions generate FADH2
and NADH.
4 5
Malic
acid
1
2
3
4
5
6.12 Chemiosmosis powers most ATP production
• The electrons from NADH and FADH2 travel down the electron transport chain to oxygen
• Energy released by the electrons is used to pump H+ into the space between the mitochondrial membranes
• In chemiosmosis, the H+ ions diffuse back through the inner membrane through ATP synthase complexes, which capture the energy to make ATP
• Chemiosmosis in the mitochondrion
Figure 6.12
Intermembrane
space
Inner
mitochondrial
membrane
Mitochondrial
matrix
Protein
complex
Electron
carrier
Electron
flow
ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE
6.13 Connection: Certain poisons interrupt critical events in
cellular respiration
Figure 6.13
Rotenone Cyanide,carbon monoxide
Oligomycin
ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE
6.14 Review: Each molecule of glucose yields many molecules of
ATP• For each glucose molecule that enters cellular respiration, chemiosmosis produces up to 38 ATP molecules
KREBS
CYCLE
Electron shuttleacrossmembranes
Cytoplasmic
fluid
GLYCOLYSIS
Glucose2
Pyruvicacid
2AcetylCoA
KREBSCYCLE
ELECTRONTRANSPORT CHAIN
AND CHEMIOSMOSIS
Mitochondrion
by substrate-level
phosphorylation
used for shuttling electrons
from NADH made in glycolysis
by substrate-level
phosphorylation
by chemiosmotic
phosphorylation
Maximum per glucose:
Figure 6.14
6.15 Fermentation is an anaerobic alternative to aerobic respiration
• Under anaerobic conditions, many kinds of cells can use glycolysis alone to produce small amounts of ATP
– But a cell must have a way of replenishing NAD+
• In alcoholic fermentation, pyruvic acid is converted to CO2 and ethanol
Figure 6.15A
This recycles NAD+ to keep glycolysis working
GLYCOLYSIS
2 Pyruvic
acid
released
2 EthanolGlucose
Figure 6.15C
• In lactic acid fermentation, pyruvic acid is converted to lactic acid
As in alcoholic fermentation, NAD+ is recycled
Lactic acid fermentation is used to make
cheese and yogurt
GLYCOLYSIS
2 Pyruvic
acid2 Lactic acid
Glucose
Figure 6.15B
Cells use many kinds of organic molecules as fuel for cellular respiration
• Polysaccharides can be hydrolyzed to monosaccharides and then converted to glucose for glycolysis
• Proteins can be digested to amino acids, which are chemically altered and then used in the Krebs cycle
• Fats are broken up and fed into glycolysis and the Krebs cycle
INTERCONNECTIONS BETWEEN MOLECULAR BREAKDOWN AND
SYNTHESIS
Pathways of molecular breakdown
Food, such as
peanuts
Polysaccharides Fats Proteins
Sugars Glycerol Fatty acids Amino acids
Amino
groups
Glucose G3PPyruvic
acid
GLYCOLYSIS
Acetyl
CoA
KREBS
CYCLE
ELECTRON
TRANSPORT CHAIN
AND CHEMIOSMOSIS
Food molecules provide raw materials for biosynthesis
• In addition to energy, cells need raw materials for growth and repair
– Some are obtained directly from food
– Others are made from intermediates in glycolysis and the Krebs cycle
• Biosynthesis consumes ATP
• Biosynthesis of macromolecules from intermediates in cellular respiration
ATP needed to
drive biosynthesis
PolyscaccharidesFatsProteins
KREBS
CYCLE
Acetyl
CoAPyruvic
acidG3P Glucose
GLUCOSE SYNTHESIS
Amino
groups
Amino acids Fatty acids Glycerol Sugars
Cells, tissues, organisms
The fuel for respiration ultimately comes from photosynthesis
• All organisms have the ability to harvest energy from organic molecules
– Plants, but not animals, can also make these molecules from inorganic sources by the process of photosynthesis
Mitokondria
organel yang termasuk ke dalam sistem membran
tersebar pada sitosolorganisme eukariot.
Fungsi utama :
pengubahan energi potensial(dalam bentuk makanan) menjadiATP
Struktur Mitokondria
1. Membran luar
• mengelilingi struktur mitokondria secara keseluruhan
• memiliki protein integral pada membran, yang membentuk saluran untuk memfasilitasi berbagai macam molekul keluar masuk mitokondria
2. Membran dalam
• mengelilingi matriks yang berisi cairan • membentuk suatu lekukan ke dalam matriks
krista• Mengandung 5 kelompok protein integral
membran
5 kelompok protein integral membran :
1. NADH dehidrogenase, 2. suksinat dehidrogenase, 3. sitokrom c reduktase (juga dikenal sebagai kompleks
sitokrom b-c1), 4. sitokrom c oksidase, 5. ATP sintase
Glikolisis
Glikolisis merupakan proses katabolisme glukosa secara anaerob terjadi pada setiap jenis sel Berlangsung di dalam sitosol Persamaan reaksi :
C6H12O6 + 2NAD+ 2C3H4O3 + 2 NADH + 2H+
asam piruvat
Pada glikolisis terdapat 9 reaksi, masing-masing dibantu oleh enzim yang spesifik
Pada tahap 1 dan 3 ATP diubah menjadi ADP dan terjadi proses fosforilasi
Pada tahap 5 NAD diubah menjadi NADH + H+
Pada tahap 6 dan 9 ADP diubah menjadi meolekul berenergi tinggi TP
Pada tahap 4, gula 6 – C dipecah menjadi 2 senyawa 3 – C, yaitu :
1. Fosfogliseraldehid (PGAL)
2. Dihidroksiaseton dapat diubah menjadi PGAL dengan bantuan enzim isomerase
Akhir dari proses glikolisis 2 molekul asam piruvat (3 – C), dihasilkan 2 ATP dan 2 NADH per molekul glukosa
Pada kondisi anaerob (tanpa kehadiran oksigen), asam piruvat dapat masuk ke jalur :
Fermentasi alkohol Fermentasi asam laktat
Fermentasi alkohol : pada ragi
Asam piruvat didekarboksilasi dan direduksi oleh NADH membentuk CO2 dan ethanol
Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H+
CO2 + C2H5OH + NAD+
Proses dinamakan fermentasi alkoholik
Pada otot yang sedang berkontraksi
Asam piruvat direduksi oleh NADH membentuk molekul asam laktat
Persamaan reaksi C3H4O3 + NADH + H+
C3H6O3 + NAD+
Proses dinamakan fermentasi asam laktat
top related