biokimia - resume lehninger ed. iv, bab 13

PrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticspasdfghjklzPrinciplesofbioenergeticsxBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsBioc

hemistryPrinciplesofbioenergeticsBiochemistryPrinciplesofbioenergeticsPrinciplesofbioenergeticsP

Prinsip Bioenergetika

Resume Biokimia

Principles Of BioenergeticsCh. 13 ; Lehningar Ed. 4

Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah“BIOKIMIA”

Disusun Oleh:

Ogi Nurhari

Prinsip Bioenergetika Resume BIOKIMIA

BAB 13

PRINSIP BIOENERGETIKA

13.1 BIOENERGETIKA DAN TERMODINAMIK13.2 GRUP PHOSPORIL TRANSFER DAN ATP13.3 REAKSI OKSIDASI-REDUKSI BIOLOGI

Sel hidup dan organisme harus melakukan pekerjaan untuk tetap hidup, tumbuh, dan bereproduksi. Kemampuan untuk memanfaatkan energi dan menyalurkannya ke kerja biologis adalah properti fundamental dari semua makhluk hidup; itu pasti diperoleh selular sangat awal dalam evolusi. Organisme modern melaksanakan berbagai energi yang luar biasa transductions, konversi dari satu bentuk energi yang lain. Mereka menggunakan energi kimia sebagai bahan bakar untuk membawa sintesis kompleks, sangat teratur dari makromolekul menjadi prekursor sederhana. Mereka juga mengkonversi energi kimia sebagai bahan bakar menjadi konsentrasi gradien gradien dan listrik, menggerakkan panas.

Pada abad ini, biokimia studi telah mengungkapkan banyak kimia yang mendasari bahwa "obor kehidupan." Transduksi energi hayati fisik yang sama mematuhi hukum yang mengatur semua proses alam lainnya. Oleh karena itu penting bagi seorang mahasiswa biokimia untuk memahami hukum-hukum ini dan bagaimana mereka berlaku untuk aliran energi di biosfer. Dalam bab ini pertama-tama kita meninjau hukum termodinamika dan kuantitatif hubungan antara energi bebas, entalpi, dan entropi. Kami kemudian menjelaskan peran khusus ATP dalam biologi pertukaran energi. Akhirnya, kami mempertimbangkan pentingnya reaksi oksidasi-reduksi dalam sel-sel hidup, energetika reaksi transfer elektron, dan pembawa elektron biasa digunakan sebagai kofaktor dari enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi ini.

13.1 BIOENERGETIKA DAN TERMODINAMIK

Bioenergetika adalah studi kuantitatif transductions energi yang terjadi dalam sel hidup dan sifat dari fungsi proses kimia yang mendasari transduksi ini. Meskipun banyak prinsip termodinamika telah diperkenalkan dalam bab-bab sebelumnya dan mungkin akrab bagi Anda, sebuah tinjauan dari aspek kuantitatif prinsip-prinsip ini sangat berguna di sini.

Transformasi Energi Biologis menurut Hukum Termodinamika

Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi: untuk setiap fisik atau perubahan kimia, jumlah total energi di alam semesta tetap konstan; energi dapat berubah bentuk atau dapat diangkut dari satu daerah ke daerah lain, tetapi tidak dapat dibuat atau hancur.

2


Hukum kedua termodinamika, yang dapat dinyatakan dalam beberapa bentuk, mengatakan bahwa alam semesta selalu cenderung ke arah peningkatan gangguan: dalam semua proses alam, entropi alam semesta bertambah. Organisme hidup terdiri dari molekul koleksi terorganisasi jauh lebih tinggi daripada bahan-bahan dari mana mereka dibangun sisekitarnya, dan organisme memelihara dan menghasilkan ketertiban, tampaknya tidak sadar akan hukum kedua termodinamika. Sistem yang bereaksi adalah kumpulan materi yang sedang menjalani kimia tertentu atau proses fisik; itu mungkin suatu organisme, sel, atau dua senyawa bereaksi. sistem yang bereaksi dan sekitarnya bersama-sama membentuk alam semesta. Di laboratorium, beberapa bahan kimia atau proses fisik dapat dilakukan di tempat terpencil atau sistem tertutup, di mana tidak ada materi atau energi dipertukarkan dengan lingkungannya. Sel-sel hidup dan organisme Namun, sistem terbuka, bertukar baik materi dan energi dengan lingkungannya; sistem kehidupan tidak pernah pada kesetimbangan dengan lingkungan sekitar, dan terus-menerus transaksi antara sistem dan sekitarnya menjelaskan bagaimana organisme dapat menciptakan keteraturan dalam diri mereka sendiri ketika beroperasi di dalam hukum kedua termodinamika.

kita mendefinisikan tiga besaran termodinamika yang menggambarkan terjadi perubahan energi dalam reaksi kimia:

Energi bebas Gibbs, ∆G, mengungkapkan jumlah energi yang mampu melakukan pekerjaan selama reaksi pada suhu dan tekanan konstan. Ketika seorang Reaksi tersebut berjalan dengan pelepasan energi bebas (yaitu, ketika perubahan sistem sehingga kurang memiliki energi bebas), maka perubahan energi bebas, ∆G, memiliki nilai negatif dan reaksi dikatakan eksergonik. Dalam reaksi endergonik, keuntungan sistem energi bebas dan ∆G adalah positif.

Entalpi, ∆H, adalah konten panas dari sistem bereaksi. Hal ini mencerminkan jumlah dan jenis ikatan kimia di reaktan dan produk. Ketika rilis reaksi kimia panas, itu dikatakan eksotermik; konten panas dari produk yang kurang dari reaktan dan memiliki ∆H, dengan konvensi, sebuah nilai negatif. Sistem Bereaksi dengan mengambil panas dari lingkungan, mereka adalah endotermik dan memiliki nilai-nilai positif ∆H.

Entropy, ∆S, adalah ekspresi kuantitatif untuk keacakan atau gangguan dalam suatu sistem. Ketika produk reaksi kurang kompleks dan lebih teratur daripada reaktan, reaksi dikatakan bisa untuk melanjutkan dengan memperoleh entropi.

Di bawah kondisi yang ada di biologi sistem (termasuk suhu dan tekanan konstan), perubahan energi bebas, entalpi, dan entropi terkait satu sama lain kuantitatif dengan persamaan:

∆G = ∆H – T ∆S

3


Keperluan energi bebas sel

Sel-sel sistem isotermal-mereka pada dasarnya berfungsi pada temperatur konstan (mereka juga berfungsi pada tekanan konstan). Aliran panas bukan merupakan sumber energi bagi sel, karena panas dapat melakukan kerja hanya pada saat melalui ke zona atau objek pada suhu yang lebih rendah. Sel energi dapat dan harus menggunakan energi bebas, yang digambarkan oleh energi bebas Gibbs fungsi G, yang memungkinkan prediksi arah reaksi kimia, kesetimbangan tepat sel, dan jumlah pekerjaan yang mereka lakukan dalamteori suhu konstan dan tekanan. Heterotrophic sel memperoleh energi bebas dari gizi molekul, dan sel-sel fotosintetik memperolehnya dari radiasi matahari yang diserap. Kedua jenis sel mengubah energi bebas ini menjadi energi lain ATP dan senyawa yang kaya energi mampu memberikan biologis bekerja pada temperatur konstan.

Perubahan standar Energi bebas Langsung Terkait dengan konstanta kesetimbangan

Konsentrasi reaktan dan produk pada kesetimbangan menentukan konstanta kesetimbangan, Keq pada reaksi umum aA + bB ↔ cC + dD, dimana a, b, c, dan d, adalah jumlah dari molekul A, B, C, dan D yang berpartisipasi.

K eq=[C ] c [D ]d[A ]a [B]b

Dimana [A], [B], [C], dan [D] adalah konsentrasi dari reaktan pada konstanta kesetimbangan.

Ketika sebuah sistem tidak bereaksi pada kesetimbangan, kecenderungan untuk bergerak ke arah ekuilibrium merupakan motor penggerak, besarnya yang dapat dinyatakan sebagai perubahan energi bebas untuk reaksi, ∆G. Di bawah kondisi standar (298 K 25 C), ketika reaktan dan produk yang awalnya hadir pada 1 M konsentrasi atau, untuk gas, pada tekanan parsial 101,3 kilopascals (kPa), atau 1 atm, gaya mengemudi ke arah ekuilibrium sistem didefinisikan sebagai standar perubahan energi bebas, ∆G.

Sama seperti eq K adalah sebuah konstanta fisika khas untuk setiap reaksi, demikian juga adalah ∆G yang konstan. Seperti yang kita lihat dalam Bab 6, ada hubungan yang sederhana antara K eq dan ∆G:

∆G = - RT ln K’eq

Standar perubahan energi bebas dari reaksi kimia hanyalah matematika alternatif cara mengungkapkan kesetimbangan konstan.

4


Perubahan Aktual energi bebas tergantung pada reaktan dan Produk Konsentrasi

Kita harus berhati-hati untuk membedakan antara dua kuantitas yang berbeda: energi bebas berubah, ∆G, dan standar perubahan energi bebas, ∆G’0. Setiap reaksi kimia memiliki standar karakteristik perubahan energi bebas, yang dapat bernilai positif, negatif, atau nol , tergantung pada konstanta kesetimbangan reaksi. perubahan standar energi bebas menunjukan kepada kita ke arah mana dan sejauh mana reaksi tertentu harus pergi untuk mencapai keseimbangan ketika konsentrasi awal masing-masing komponen adalah 1,0 M, pH 7.0, suhu adalah 25 C, dan tekanan 101,3 kPa. Jadi ∆G adalah konstan: ia memiliki karakteristik, nilai berubah untuk suatu reaksi. Tapi sebenarnya perubahan energi bebas, ∆G, adalah fungsi dari konsentrasi reaktan dan produk dan suhu yang berlaku selama reaksi, yang belum tentu akan cocok dengan kondisi standar sebagaimana didefinisikan.

Dalam sel hidup, reaksi yang akan sangat lambat jika dilanjutkan tanpa katalis, bukan dengan memberikan panas tambahan tetapi dengan menurunkan energi aktivasi dengan enzim. Enzim menyediakan alternatif jalur reaksi dengan energi aktivasi yang lebih rendah daripada reaksi tanpa katalis, sehingga pada suhu kamar sebagian besar molekul substrat memiliki energi panas yang cukup untuk mengatasi penghalang aktivasi, dan laju reaksi meningkat secara dramatis. Secara Bebas perubahan energi untuk reaksi tidak bergantung pada jalur di mana reaksi terjadi; itu tergantung hanya pada sifat dan konsentrasi awal reaktan dan produk akhir. Enzim tidak bisa berekasi, karena itu,enzim hanya mengubah konstanta kesetimbangan, tetapi mereka bisa dan dapat meningkatkan laju reaksi agar berlangsung dalam arah yang ditentukan oleh termodinamika.

5


Kesimpulan bioenergetika dan termodinamik :

Sel-sel hidup terus-menerus melakukan pekerjaan. Mereka membutuhkan energi untuk mempertahankan struktur yang sangat terorganisasi, sintesis komponen sel, menghasilkan arus listrik, dan banyak proses-proses lain.

bioenergetika adalah studi kuantitatif hubungan energi dan konversi energi dalam sistem biologi. Transformasi energi biologis menunjukan keterkaitan dengan hukum-hukum termodinamika.

Semua reaksi kimia dipengaruhi oleh dua kekuatan: kecenderungan untuk mencapai ikatan yang paling stabil antar bagian (untuk entalpi, H, adalah ekspresi yang berguna) dan kecenderungan untuk mencapai tingkat tertinggi keserampangan , dinyatakan sebagai entropi, S. kekuatan pendorong dalam suatu reaksi adalah ∆G, perubahan energi, yang mewakili efek dari dua faktor: ∆G = ∆H – T ∆S

standar perubahan energi bebas, ∆G’o, adalah fisik konstanta yang merupakan karakteristik untuk reaksi tertentu dan dapat dihitung dari konstanta kesetimbangan untuk reaksi: ∆G = - RT ln K’eq

sebenarnya perubahan energi bebas, ∆G, merupakan variabel yang bergantung pada ∆G’o dan pada konsentrasi reaktan dan produk: ∆G = ∆G’o + RT ln ([Produk] / [reaktan]).

Bila ∆G adalah besar dan negatif, reaksi cenderung pergi ke arah depan; ketika ∆G adalah besar dan positif, reaksi cenderung pergi ke arah sebaliknya; dan ketika ∆G = 0, sistem pada kesetimbangan.

perubahan energi bebas untuk reaksi tidak bergantung pada jalur di mana reaksi terjadi. perubahan energi bebas aditif; reaksi kimia yang dihasilkan dari reaksi berturut-turut berbagi menengah secara umum memiliki keseluruhan perubahan energi bebas yang merupakan jumlah dari nilai-nilai ∆G untuk reaksi individu.

6


13.2 GRUP PHOSPORIL TRANSFER DAN ATP

Setelah mengembangkan beberapa prinsip-prinsip dasar perubahan energi dalam sistem kimia, sekarang kita bisa mengkaji siklus energi dalam sel dan peran khusus ATP sebagai energi yang menghubungkan rantai katabolisme dan anabolism. sel heterotropik memperoleh energi bebas dalam bentuk kimia oleh katabolisme molekul gizi, dan mereka menggunakan energi untuk membuat ATP dari ADP dan Pi. ATP kemudian menyumbangkan sebagian dari energi kimia untuk proses endergonik seperti sintesis dari metabolisme intermediet dan makromolekul dari prekursor lebih kecil, pengangkutan bahan melintasi membran terhadap konsentrasi gradien, dan gerakan mekanis. sumbangan energi dari ATP umumnya melibatkan partisipasi kovalen ATP dalam reaksi yang didorong, dengan akibat bahwa ATP akhirnya dikonversi ke ADP dan Pi atau, dalam beberapa reaksi, untuk AMP dan 2 Pi. Kita bahas di sini dasar besar perubahan kimia energi bebas yang menyertai hidrolisis ATP dan senyawa fosfat energi tinggi lainnya, dan menunjukkan bahwa kebanyakan kasus energi ATP donasi oleh kelompok melibatkan transfer, hidrolisis ATP tidaklah sederhana. Untuk menggambarkan kisaran energi transductions di mana ATP menyediakan energi, kami mempertimbangkan sintesis makromolekul kaya informasi, pengangkutan zat terlarut melintasi membran, dan gerakan yang dihasilkan oleh kontraksi otot.

Perubahan energi bebas untuk hidrolisis ATP adalah besar dan negatif

Pembelahan yang hidrolitik terminal anhidrida ikatan asam fosfat (phosphoanhydride) dalam ATP memisahkan salah satu dari tiga fosfat bermuatan negatif dan dengan demikian mengurangi beberapa tolakan elektrostatik di ATP; perilisan Pi (HPO4 2) adalah pembentukan stabil oleh resonansi dari beberapa bentuk, tidak mungkin dalam ATP dan ADP2, yang lain produk langsung dari hidrolisis, segera mengionisasi, melepaskan H menjadi media yang sangat rendah [H] (~ 10-7 M). Karena konsentrasi produk langsung hidrolisis ATP, di dalam sel, jauh di bawah konsentrasi pada kesetimbangan, aksi massa terdapat pada reaksi hidrolisis dalam sel.

7


Dasar kimia besar perubahan energi bebas yang berkaitan dengan hidrolisis ATP: 1 muatan pemisahan yang dihasilkan dari hidrolisis mengurangi tolakan elektrostatik di antara empat muatan negatif pada ATP. 2 produk fosfat anorganik (Pi) yang distabilkan oleh resonansi pembentukan hibrida, di mana masing-masing dari empat fosfor-oksigen obligasi memiliki derajat yang sama-ikatan ganda karakter dan ion hidrogen tidak selamanya berhubungan dengan salah satu dari oxygens . (Beberapa tingkat stabilisasi resonansi juga terjadi di fosfat terlibat dalam anhidrida ester atau keterkaitan, namun lebih sedikit bentuk resonansi yang mungkin daripada Pi.) 3 Produk segera mengionisasi ADP2, melepaskan sebuah proton menjadi media yang sangat rendah [H] (pH 7 ). Faktor keempat (tidak ditampilkan) bahwa bantuan hidrolisis ATP yang lebih besar derajat solvation (hidrasi) dari produk-produk relatif Pi dan ADP menjadi ATP, yang menstabilkan lebih lanjut produk-produk relatif terhadap reaktan.

8


Senyawa terfosforilasi lain dan Thioesters juga memiliki Energi Bebas yang besar dari Hidrolisis

Phosphoenolpyruvate (Gambar 13-3) berisi ikatan ester fosfat yang mengalami hidrolisis untuk menghasilkan bentuk enol piruvat, dan produk langsung ini dapat segera ter-tautomerize ke yang lebih stabil dalam bentuk keto piruvat. Karena reaktan (phosphoenolpyruvate) hanya memiliki satu bentuk (enol) dan produk (piruvat) memiliki dua kemungkinan bentuk, produk ini relatif stabil terhadap reaktan. Ini adalah faktor terbesar yang tinggi energi bebas standar hidrolisis phosphoenolpyruvate: ∆G’o = 61,9 kJ / mol.

Thioesters, di mana atom belerang biasa menggantikan oksigen dalam ikatan ester, juga memiliki standar energi bebas hidrolisis besar, negatif. Asetil-koenzim A, atau asetil-KoA (Gambar 13-6), adalah salah satu dari banyak thioesters penting dalam metabolisme. Kelompok yang asil dalam senyawa ini diaktifkan untuk transacylation, kondensasi, atau reaksi reduksi-oksidasi.

9


ATP Memberikan Energi oleh Group Transfer, Bukan oleh Simple Hidrolisis

Sepanjang buku ini, Anda akan menemukan reaksi atau proses yang persediaan energi ATP, dan kontribusi ATP reaksi ini biasanya ditunjukkan seperti pada Gambar 13-8a, dengan satu panah yang menunjukkan konversi ATP menjadi ADP dan Pi (atau, dalam beberapa kasus, ATP ke AMP dan pirofosfat, PPI). Ketika ditulis dengan cara ini, reaksi ATP ini tampak sederhana reaksi hidrolisis di mana air menggusur Pi (atau PPI), dan orang tergoda untuk mengatakan bahwa reaksi ATP-dependent adalah "didorong oleh hidrolisis ATP." Ini bukan hal tersebut. Hidrolisis ATP per se biasanya tidak menyelesaikan apa-apa kecuali pembebasan panas, yang tidak dapat mengendarai proses kimia dalam sistem isotermal. Sebuah panah reaksi seperti yang pada Gambar 13-8a hampir selalu mewakili dua langkah proses (Gambar 13-8b) di mana bagian dari molekul ATP, sebuah phosphoryl atau kelompok atau pyrophosphoryl adenilat separoh (AMP), adalah pertama-tama ditransfer ke molekul substrat atau ke residu asam amino dalam sebuah enzim, menjadi kovalen menempel pada substrat atau enzim dan meningkatkan energi yang bebas konten. Kemudian, pada langkah kedua, mengandung fosfat separoh ditransfer pada langkah pertama tersebut dipindahkan, menghasilkan Pi, PPI, atau AMP. Jadi ATP berpartisipasi secara kovalen dalam enzim-reaksi yang dikatalisis yang menyumbangkan energi bebas.

10


ATP Menyumbangkan Phosphoryl, Pyrophosphoryl, dan adenilil Groups

Reaksi ATP umumnya SN2 perpindahan nukleofilik , di mana mungkin nukleofil, misalnya, oksigen dari alkohol atau karboksilat, atau nitrogen dari creatine atau rantai samping atau arginin histidin. Masing-masing dari tiga fosfat ATP rentan terhadap serangan nukleofilik (Gambar 13-10), dan setiap posisi serangan menghasilkan jenis produk yang berbeda.

Serangan nukleofilik oleh alkohol pada fosfat (Gambar 13-10a) menggusur ADP dan menghasilkan ester fosfat yang baru. Studi dengan reaktan telah menunjukkan bahwa jembatan oksigen dalam senyawa baru berasal dari alkohol, bukan dari ATP; kelompok dipindahkan dari ATP adalah phosphoryl (OPO3 2), bukan fosfat (OOPO3 2). Grup Phosphoryl ATP untuk transfer dari glutamat (Gambar 13-8) atau glukosa melibatkan serangan pada posisi molekul ATP. Attack pada memindahkan fosfat ATP AMP dan transfer yang pyrophosphoryl (tidak pyrophosphate) kelompok untuk menyerang nukleofil (Gambar 13-10b).

11


Misalnya, pembentukan 5-phosphoribosyl-1-pirofosfat perantara kunci dalam sintesis nukleotida, hasil dari serangan dari Ooh dari ribosa pada fosfat. Serangan nukleofilik pada posisi menggusur ATP PPI dan transfer adenilat (5-AMP) sebagai sebuah kelompok adenilil (Gambar 13-10c); reaksiny adalah adenylylation.

Energi ATP mengaktifkan Transer dan Kontraksi otot

ATP dapat memasok energi untuk pengangkutan ion atau molekul melintasi membran ke berair lain kompartemen dimana konsentrasi yang lebih tinggi (lihat Gambar. 11-36). Proses transportasi konsumen utama energi; dalam ginjal dan otak manusia, misalnya, sebanyak dua-pertiga dari energi yang dikonsumsi pada sisanya dipakai untuk pompa Na+ dan K+ melintasi membran plasma melalui Na+ K+ ATPase.

Transportasi Na+ dan K+ didorong oleh fosforilasi siklik dan dephosphorylation dari transporter protein, dengan ATP sebagai kelompok donor phosphoryl (lihat Gambar. 11-37). Na-tergantung fosforilasi dari Na+ K+ ATPase kekuatan perubahan dalam konformasi protein itu, dan K-tergantung bantuan dephosphorylation kembali ke konformasi asli. Setiap siklus dalam proses transportasi hasil dalam konversi ATP ke ADP dan Pi, dan ini merupakan perubahan energi bebas hidrolisis ATP yang mendorong perubahan-perubahan siklik konformasi protein yang menghasilkan pemompaan electrogenic Na+

dan K+. Catatan bahwa dalam kasus ini ATP berinteraksi secara kovalen oleh kelompok phosphoryl transfer ke enzim, bukan substrat.

Transphosphorylations antara Nukleotida Terjadi di Semua Jenis Cell

Meskipun telah berfokus pada ATP sebagai energi sel donor muatan dan kelompok phosphoryl, semua nukleosida trifosfat (GTP, UTP, dan CTP) dan semua deoxynucleoside trifosfat (dATP, dGTP, dTTP, dan dCTP) yang penuh sama dengan

12


ATP. Perubahan yang terkait dengan freeenergy hidrolisis phosphoanhydride hubungan mereka sangat hampir identik dengan yang ditunjukkan pada Tabel 13-6 untuk ATP.

Dalam persiapan untuk berbagai peran biologis, nukleotida lain tersebut dihasilkan dan dipelihara sebagai nukleosida trifosfat (NTP) bentuk-bentuk kelompok phosphoryl transfer ke nukleosida difosfat yang sesuai (NDPs) dan monophosphates (NMPs). ATP utama energi tinggi senyawa fosfat diproduksi oleh katabolisme, dalam proses glikolisis, fosforilasi oksidatif, dan, di sel-sel fotosintetik, fotofosforilasi. Beberapa enzim kemudian membawa kelompok ATP phosphoryl dari nukleotida yang lain.

Anorganik Polyphosphate berPotensi menjadi Group Donor Phosphoryl

Anorganik polyphosphate (polip) adalah polimer linear yang terdiri dari puluhan atau ratusan Pi residu phosphoanhydride terhubung melalui obligasi. Polimer ini, hadir dalam semua organisme, dapat terakumulasi tingkat tinggi dalam beberapa sel.

Salah satu peran potensial untuk polip adalah untuk bertindaki sebagai phosphagen, sebuah kelompok phosphoryl cadangan yang dapat digunakan untuk menghasilkan ATP, seperti fosfat kreatin digunakan dalam otot. Polip memiliki sekitar kelompok yang sama transfer phosphoryl potensi sebagai PPi.

Kesimpulan Group Phosporil Transper Dan ATP :

ATP kimia antara katabolisme dan anabolism. Ini adalah muatan energi sel hidup. konversi eksergonik ATP menjadi ADP dan Pi, atau untuk AMP dan PPI, digabungkan ke banyak reaksi endergonik dan proses.

hidrolisis langsung ATP adalah sumber energi dalam perubahan konformasi yang menghasilkan kontraksi otot tetapi, secara umum, itu bukan ATP hidrolisis tetapi transfer dari phosphoryl, pyrophosphoryl, atau kelompok adenilil dari ATP ke molekul substrat atau enzim yang keduanya energi ATP dipisahkan pada transformasi endogonic dari substrat.

grup ini mentransfer reaksi, ATP menyediakan energi bagi reaksi anabolik , termasuk informasi sintesis molekul, dan untuk pengangkutan molekul dan ion melintasi membran melawan gradien konsentrasi dan gradien potensial listrik.

Sel mengandung metabolit lain yang besar, negatif, energi bebas dari hidrolisis, termasuk phosphoenolpyruvate, 1,3-bisphosphoglycerate, dan phosphocreatine. senyawa energi tinggi Ini , seperti ATP, memiliki grup phosphoryl mentransfer potensial tinggi; mereka donor baik dari kelompok phosphoryl. Thioesters juga memiliki energi bebas tinggi dari hidrolisis.

Inorganic polyphosphate, hadir di semua sel, dapat berfungsi sebagai kelompok reservoir phosphoryl dengan kelompok transfer potensial tinggi.

13


13.1 REAKSI OKSIDASI-REDUKSI BIOLOGI

Pemindahan kelompok phosphoryl adalah ciri utama dari metabolisme. Tak Kalah pentingnya adalah jenis lain transfer, transfer elektron dalam reaksi oksidasi-reduksi. Reaksi-reaksi ini melibatkan hilangnya elektron oleh satu spesies kimia, yang dengan demikian teroksidasi, dan penambahan elektron oleh yang lain, yang dikurangi. Aliran elektron dalam reaksi oksidasi-reduksi bertanggung jawab, langsung atau tidak langsung, untuk semua pekerjaan yang dilakukan oleh organisme hidup. Dalam nonphotosynthetic organisme, sumber elektron berkurang senyawa (makanan); dalam organisme fotosintetik. Jalan aliran elektron dalam metabolisme yang kompleks. Elektron bergerak dari berbagai metabolisme intermediet untuk khusus pembawa elektron dalam reaksi katalis-enzim. Para operator pada gilirannya menyumbang kepada akseptor elektron dengan elektron yang lebih tinggi kedekatannya, dengan pelepasan energi. Sel mengandung berbagai energi molekuler transduser, yang mengubah aliran energi elektron menjadi bermanfaat.

Arus Elektron yang Dapat melakukan Kerja Biologi

Sel-sel hidup memiliki "sirkuit" biologis dengan senyawa yang relatif berkurang seperti glukosa sebagai sumber elektron. Seperti glukosa teroksidasi enzimatik, aliran elektron yang dilepaskan secara spontan melalui serangkaian perantara elektron-carrier jenis kimia lain, seperti O2. Aliran elektron ini eksergonik, karena O2 memiliki afinitas elektron lebih tinggi daripada elektron pembawa gabungannya. Gaya gerak listrik yang dihasilkan energi menyediakan berbagai transduser energi molekuler (enzim dan protein lain) yang melakukan kerja biologis. Dalam mitokondria, misalnya, enzim yang terikat pada membran beberapa aliran elektron untuk menghasilkan sebuah perbedaan pH transmembran, mencapai osmotik dan pekerjaan listrik. Gradien proton sehingga terbentuk energi potensial, kadang-kadang disebut proton-motif dengan analogi dengan gaya gerak listrik. Enzim lain, ATP sintase di bagian dalam membran mitokondria, menggunakan kekuatan untuk melakukan protonmotive kerja kimia: sintesis ATP dari ADP dan Pi sebagai aliran proton melintasi membran secara spontan. Demikian pula, membran-lokal E. coli mengubah gaya gerak listrik menjadi kekuatan proton pendorong, yang kemudian digunakan untuk flagellar daya gerak.

oksidasi biologis Sering Melibatkan Rx. Dehidrogenasi

Dalam sistem biologis, oksidasi sering identik dengan dehidrogenasi, dan banyak enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi dehydrogenases. Perhatikan bahwa semakin berkurang senyawa dalam Gambar 13-13 (atas) lebih kaya hidrogen dari oksigen, sedangkan senyawa yang lebih teroksidasi (bawah) memiliki lebih kurang oksigen dan hidrogen. Namun tidak semua reaksi reduksi-oksidasi biologis malibatkan carbon, seperti pada

14


Ukuran Affinitas Potensial reduksi Elektron

Ketika dua pasangan redoks conjugate bersama-sama dalam larutan, transfer elektron dari donor elektron dari satu pasangan ke akseptor elektron yang lain dapat berlanjutkan secara spontan. Kecenderungan untuk reaksi seperti tergantung pada afinitas relatif akseptor elektron dari masing-masing pasangan redoks untuk elektron. Potensial reduksi standar, E, ukuran (dalam volt) afinitas ini, dapat ditentukan dalam percobaan seperti yang dijelaskan dalam Gambar 13-14. Electrokimia telah dipilih sebagai standar acuan setengah-reaksi

Elektroda di mana setengah-reaksi ini terjadi (yang disebut setengah-sel) adalah standar yang ditetapkan secara umum

Potensi pengurangan setengah-sel tidak hanya tergantung pada jenis bahan kimia yang ada, tetapi juga pada kegiatan yang dilakukan, diperkirakan oleh konsentrasinya pula. Walther Nernst meturunkan suatu persamaan yang berhubungan dengan potensi pengurangan standar (E) ke potensial reduksi (Eo) pada setiap konsentrasi jenis senyawa teroksidasi dan tereduksi dalam sel :

mana R dan T mempunyai arti mereka yang biasa, n adalah jumlah elektron yang ditransfer per molekul, dan J adalah konstanta Faraday (Tabel 13-

1). At 298 K (25 C), persamaan ini diturunkan menjadi :

Standar Potensial Reduksi Dapat Digunakan untuk menghitung perubahan energi bebas

Energi disediakan oleh aliran elektron spontan ini (perubahan energi bebas untuk reaksi oxidationreduction) adalah sebanding dengan ∆E:

15


16


Oksidasi Selular Glukosa menjadi Karbon Dioksida Memerlukan Specialized Electron Carriers

Prinsip-prinsip reduksi-oksidasi energetika yang dijelaskan di atas berlaku pada banyak reaksi metabolik yang melibatkan transfer elektron. Sebagai contoh, dalam banyak organisme, oksidasi glukosa memasok energi untuk produksi ATP. Rx berlagsung:

Energi bebas yang diperlukan lebih besar daripada yang diperlukan untuk sintesis ATP (50-60 kJ / mol; lihat Kotak 13-1). Sel mengkonversi glukosa untuk CO2, melepaskan energi-reaksi tinggi, melainkan dalam serangkaian reaksi terkendali, beberapa di antaranya oksidasi. Energi bebas dilepaskan pada langkah oksidasi ini adalah urutan yang sama besarnya seperti yang diperlukan untuk sintesis ATP dari ADP,

17


dengan beberapa energi untuk cadangan. Elektron dihapus dalam langkah oksidasi lalu akan ditransfer ke koenzim khusus untuk membawa elektron, seperti NAD dan FAD.

beberapa Jenis Koenzim dan Protein bertindak sebagai Universal Electron Carriers

Banyaknya enzim yang mengkatalisis oksidasi selular saluran elektron dari ratusan substrat yang berbeda ke dalam beberapa jenis pembawa elektron universal. reduksi dari carrier ini dalam hasil proses katabolik dalam konservasi energi bebas dilepaskan oleh oksidasi dari substrat. NAD, NADP, FMN, dan FAD merupakan koenzim yang larut dalam air yang mengalami oksidasi reversibel dan reduksi dalam banyak reaksi electrontransfer metabolisme.

NAD+ dan NADP+ nukleotida bergerak mudah dari satu enzim ke yang lain, sedangkan flavin FMN dan FAD nukleotida biasanya sangat erat terikat pada enzim, yang disebut flavoproteins, mereka bertindak sebagai kelompok prostetik. lemak-quinones larut seperti ubiquinone dan plastoquinone bertindak sebagai pembawa elektron dan proton donor dalam lingkungan membran tak berair. Besi-sulfur protein dan sitokrom, yang telah terikat erat kelompok prostetik reversibel yang mengalami oksidasi dan pengurangan, juga berfungsi sebagai pembawa elektron dalam banyak reaksi oksidasi-reduksi. Beberapa dari protein ini larut dalam air, tetapi yang lain adalah periferal atau protein integral membran.

NADH dan NADPH bertindak dengan Dehydrogenases sebagai elektron Carriers yang Larut

Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+ dalam bentuk teroksidasi) dan analog dekat nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADP) terdiri dari dua nukleotida bergabung melalui gugus fosfat dengan ikatan phosphoanhydride (Gambar 13-15a). Karena menyerupai cincin nikotinamida piridina, senyawa ini kadang-kadang disebut piridina nukleotida. Vitamin niasin adalah sumber dari separoh nikotinamida di nikotinamida nukleotida.

Kedua koenzim mengalami pengurangan reversibel nikotinamida cincin (Gambar 13-15). Sebagai molekul substrat mengalami oksidasi (dehidrogenasi), menyerahkan dua atom hidrogen, bentuk teroksidasi nukleotida (NAD atau NADP) menerima sebuah ion hidrida (:H+, setara dengan sebuah proton dan dua elektron) dan ditransformasikan menjadi bentuk (NADH atau NADPH). Proton kedua dihapus dari substrat dilepaskan ke pelarut berair. Setengah-reaksi untuk tiap jenis nukleotida Oleh karena itu reduksi NAD atau NADP mengubah benzenoid nikotinamida cincin dari sebagiannya (dengan tetap muatan positif pada cincin nitrogen) ke bentuk quinonoid (tanpa dikurangi di nitrogen).

18


Ketika NAD+ atau NADP+ berkurang, ion hidrida pada prinsipnya dapat ditransfer ke salah satu sisi cincin nikotinamida: bagian depan (sisi A) atau bagian belakang (sisi B), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 13-15a. Isotopically Studi dengan substrat berlabel telah menunjukkan bahwa sebuah enzim mengkatalisis baik tipe A atau tipe B-transfer, tetapi tidak keduanya.

19


KESIMPULAN REAKSI OKSIDASI-REDUKSI BIOLOGI

Dalam banyak organisme, pusat proses konservasi energi adalah oksidasi glukosa bertahap untuk CO2, di mana sebagian energi dari oksidasi disimpan dalam ATP sebagai elektron yang dilewatkan ke O2.

reaksi Biologi oksidasi-reduksi dapat digambarkan dalam istilah-istilah dari dua setengah-reaksi, masing-masing dengan karakteristik potensi pengurangan standar, E’’0.

Ketika dua setengah sel elektrokimia, masing-masing berisi komponen-komponen dari setengah-reaksi, dihubungkan, elektron cenderung mengalir ke setengah-sel dengan potensial reduksi yang lebih tingg. kecenderungan Kekuatan ini sebanding dengan perbedaan antara dua potensi reduksi (∆E) dan merupakan fungsi dari konsentrasi jenis teroksidasi dan tereduksi.

standar perubahan energi bebas untuk reaksi reduksi-oksidasi berbanding lurus dengan perbedaan dalam potensi pengurangan standar dari dua setengah-sel:

Banyak reaksi oksidasi biologis adalah dehydrogenations di mana satu atau dua atom hidrogen (H+ + e-) ditransfer dari substrat ke akseptor hidrogen. Oksidasi-reaksi pengurangan dalam khusus melibatkan sel-sel hidup pembawa elektron.

FAD dan FMN, flavin nukleotida, berfungsi sebagai perekat erat kelompok prostetik flavoproteins. Mereka dapat menerima satu atau dua elektron. Flavoproteins juga berfungsi sebagai reseptor cahaya di cryptochromes dan photolyases.

20

biokimia - resume lehninger ed. iv, bab 13

Documents