ENERGY TRANSFORMATION AND CELLULAR METABOLISM
(TRANSFORMASI ENERGI DAN METABOLISME SELULAR)
CELL BIOLOGY
Surya AmalPrepared for Pharmacy Department
University of Darussalam Gontor - Indonesia
An organism’s metabolism transforms
matter and energy, subject to the laws of
thermodynamics
Concept
Metabolisme adalah keseluruhan reaksi kimia dalam organisme.
Metabolisme adalah efek yang timbul dari kehidupan yang merupakan interaksi antara molekul dalam sel.
Sebuah jalur metabolisme dimulai dengan molekul tertentu (reaktan) dan berakhir dengan sebuah produk.
Setiap tahap dikatalisis oleh enzim spesifik.
Metabolism Basics
Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3
A B C DReaction 1 Reaction 2 Reaction 3
Startingmolecule
Product
Organization of the Chemistryof Life into Metabolic Pathways
Sebuah jalur metabolisme (metabolic pathway) membutuhkan banyak tahapan.
Yang dimulai dengan molekul spesifik dan diakhiri dengan produk
Yang masing-masing dikatalisasi oleh enzim spesifik
Metabolism = catabolic + anabolic
Jalur Katabolik (catabolic pathways) Memecah molekul kompleks menjadi
senyawa yang lebih sederhana. Melepaskan energi (release energy)
Jalur Anabolik (anabolic pathways) Membangun molekul rumit dari yang
sederhana. Mengkonsumsi energi (consume
energy)
The process of breaking down molecules to supply energy is catabolism.
The process of building up molecules (synthesis) is anabolism.
General Classification of chemical reactions in the metabolism
The sum total of all the chemical reactions involved in maintaining the dynamic state of the cell is called metabolism.
Energy
Energi kinetik (kinetic energy) Adalah energi yang berkaitan dengan
gerak Energi potensial (potential energy)
Tersimpan dalam materiTermasuk energi kimia yang tersimpan
dalam struktur molekul
Energy Systems & Flow
Energi disimpan dalam dua sistem makro Tumbuhan (Plants) & Hewan (Animals)
Flora dan fauna tersusun dari subsistem tambahan baik untuk penyimpanan maupun aliran energi.
Energi mengalir antara dua penyimpanan ini ketika konsumsi terjadi.
Entropi (entropy) meningkat pada setiap tingkat konsumsi (tingkat trofik).
Perhatian kita pada penggunaan energi kimia dan konversi ke ATP = respirasi sel C6H1206 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 36ATP
Energy Systems and Flow
(a) First law of thermodynamics(b) Second law of thermodynamics
Chemicalenergy
Heat
Bioenergetics (bioenergetika) adalah studi tentang bagaimana organisme mengelola sumber daya energi mereka.
The Laws of Energy Transformation
Thermodynamics (Termodinamika) adalah ilmu yang mempelajari transformasi energi.
Sebuah sistem tertutup, seperti yang diperkirakan pada cairan dalam termos, terisolasi dari lingkungannya.
Dalam sistem terbuka, energi dan materi dapat ditransfer antara sistem dan sekitarnya (lingkungannya).
Organisme adalah sistem yang terbuka.
The First Law of Thermodynamics
Menurut hukum pertama termodinamika, energi alam semesta adalah konstan Energi dapat ditransfer dan diubah Energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan
Hukum pertama juga disebut prinsip konservasi energi
The Second Law of Thermodynamics
Pada setiap perpindahan energi atau transformasi, beberapa energi tidak dapat digunakan, sering hilang sebagai panas.
Menurut hukum kedua termodinamika, setiap perpindahan energi atau transformasi meningkatkan entropi dari alam semesta.
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan (disorder), atau keserampangan (randomness)
Biological Order and Disorder
Sel menciptakan keteraturan struktur dari materi-materi yang kurang teratur.
Organisme juga membentuk keteraturan dari materi dan energi yang kurang teratur .
Entropy (ketidakteraturan) mungkin menurun dalam sebuah organisme, tetapi entropy total alam semesta meningkat.
Energi bebas pada sistem kehidupan adalam energi yang dapat melakukan kerja ketika temperatur dan tekanan beraturan, sebagaimana dalam sebuah sel hidup.
Free-Energy Change, G
Perubahan energi bebas (∆G) selama proses berhubungan dengan perubahan entalpi, atau perubahan total energi (∆H), dan perubahan entropi (T∆S) :
∆G = ∆H - T∆S• ∆G negatif adalah proses spontan• Proses spontan dapat dimanfaatkan untuk
melakukan kerja.
Free Energy, Stability, and Equilibrium
Energi bebas adalah ukuran ketidakstabilan sistem, kecenderungan untuk berubah ke keadaan yang lebih stabil.
Pada perubahan spontan, terjadi penurunan energi bebas dan stabilitas sistem meningkat.
Equilibrium adalah keadaan stabilitas maksimum. Proses yang spontan dan dapat melakukan
kerja hanya ketika bergerak menuju kesetimbangan (equilibrium)
Exergonic and Endergonic Reactions in Metabolism
Reaksi eksergonik berjalan dengan sebuah pelepasan energi bebas dan disebut spontan.
Reaksi endergonik menyerap energi bebas dari lingkungannya dan tidak spontan
Equilibrium and Metabolism
Reaksi dalam sistem tertutup akhirnya mencapai keseimbangan dan kemudian tidak melakukan kerja.
Sel adalah sistem terbuka. Kesetimbangan dinamis (dynamic
equilibrium) Sebuah jalur katabolik dalam sel,
melepaskan energi bebas dalam serangkaian reaksi.
ATP powers cellular work by coupling exergonic
reactions to endergonic reactions
Concept
Sebuah sel melakukan tiga jenis kerja utama : Mekanik (Mechanical), Transpor (Transport)
dan Kimia (Chemical) Untuk melakukan kerja, sel mengelola sumber daya
energi dengan perangkai energi, penggunaan proses eksergonik untuk mendorong proses endergonik.
ATP (adenosine triphosphate) adalah shuttle energi sel.
ATP menyediakan energi untuk fungsi-fungsi seluler
ATP (adenosine triphosphate)
The chemical structure of ATP
Figure 8.9
P
Adenosine triphosphate (ATP)
H2O
+ Energy
Inorganic phosphate Adenosine diphosphate (ADP)
PP
P PP i
Energi dilepaskan dari ATPKetika terjadi pemutusan pada ikatan fosfat.
The Structure and Hydrolysis of ATP
The bonds between the phosphate groups of ATP’s tail can be broken by hydrolysis
This release of energy comes from the chemical change to a state of lower free energy, not from the phosphate bonds themselves
In the cell, the energy from the exergonic reaction of ATP hydrolysis can be used to drive an endergonic reaction
Overall, the coupled reactions are exergonic
Exergonic and Endergenic of ATP
(a) Glutamic acid conversion to glutamine
Glutamic acid
GGlu 3.4 kcal/mol
Glutamine
(b) Conversion reaction coupled with ATP hydrolysis
(c) Free-energy change for coupled reaction
Ammonia
Glutamic acid GlutaminePhosphorylatedintermediate
GGlu 3.4 kcal/mol
GATP −7.3 kcal/mol GGlu 3.4 kcal/mol
GATP −7.3 kcal/mol
G −3.9 kcal/mol Net
How ATP Performs Work
ATP drives endergonic reactions by phosphorylation, transferring a phosphate group to some other molecule, such as a reactant
The recipient molecule is now phosphorylated
The three types of cellular work (mechanical, transport, and chemical) are powered by the hydrolysis of ATP
The Regeneration of ATP
ATP is a renewable resource that is regenerated by addition of an inorganic phosphate group to ADP
• The energy to phosphorylate ADP comes from catabolic reactions in the cell
• The chemical potential energy temporarily stored in ATP drives most cellular work
Overview of Metabolism
Source of Energy (Photo- vs. Chemotroph) Source of Electrons Carrier of Electrons Final Electron Acceptor
Source of Carbon (Auto- vs. Heterotroph) Auto- : Carbon Dioxide Hetero- : Organic Compounds
Source of Electrons
Autotrophs Photosynthesis H2O, H2S
Chemotrophs Organic Compounds Carbohydrates (C H2O)
Glucose, Lactose, Sucrose, Mannitol, Citrate Amino Acids
Electron Carriers
Photosynthesis NADP + H to NADPH
Respiration NAD + H to NADH FAD + H to FADH
Contain Niacin and Riboflavin Vitamins, not stable Can’t store these molecules
Final Electron Acceptor
Fotosintesis (photosynthesis) CO2 + H2 to CH2O Stores energy
Respirasi (respiration) Aerobik (aerobic)
1/2 O2 + H2 to H2O
Anaerobik (anaerobic) Fermentasi (fermentation)
Movement of Electrons
Chemical reactions
Oxidation Reactions
Reduction Reactions
Reactions Coupled Redox reactions
Chapter 5
Example of Redox Equations
Example of Redox Equations
Example of Redox Equations
Cellular respiration
Cellular Respiration Glycolysis Citric Acid Cycle Electron Transport System & Oxidative
Phosphorylation
Metabolic Pathways Involved in Cellular Respiration
Glucose Pyruvicacid
Energi yang dihasilkan : 2 ATP dan 2 NADH
Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvic acid
Pyruvic acid is altered for the citric acid cycle
Pyruvicacid
CO2
Acetyl CoA(acetyl coenzyme A)
enzim mengkonversi asetil untuk CO2 dan menghasilkan NADH dan molekul FADH2
The citric acid cycle completes the oxidation of organic fuel
Figure 6.11A
Acetyl CoA
CITRIC ACID CYCLE
2CO2
Steps in the Electron Transport System
1. Set up H+ gradient using energy of e- from NADH, FADH22. Downhill flow of H+ is used to make ATP
cell
innermembrane
outermembrane
mitochondrion
An overview of cellular respiration
High-energy electrons carried by
NADH
GLYCOLYSIS
Glucose Pyruvicacid
CITRIC ACID
CYCLE
ELECTRONTRANSPORT
CHAINAND
CHEMIOSMOSIS
MitochondrionCytoplasmi
cfluid
Tanpa oksigen, sel-sel dapat menggunakan glikolisis sendiri menghasilkan sejumlah kecil ATP
Tetapi sel harus mengisi NAD+
Fermentation is an anaerobic alternativeto aerobic respiration
Glucose Pyruvicacid
In lactic acid fermentation, pyruvic acid
is converted to lactic acid
– NAD+ didaur ulang• Kontribusi untuk nyeri otot
GLYCOLYSIS
2 Pyruvic
acid
2 Lactic acidGlucose
Conclusion
Metabolisme memiliki empat fungsi khusus, yaitu :
1. Untuk memperoleh energi kimia dari degradasi makanan dari lingkungan atau energi matahari,
2. Untuk mengubah molekul nutrien menjadi prekursor unit pembangun bagi molekul besar sel.
3. Untuk menggabungkan unit-unit pembangun ini menjadi protein, asam nukleat, lipida, polisakarida, dan komponen sel lain.
4. Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang diperlukan di dalam fungsi khusus sel.
Conclusion :
Hubungan antara Anabolisme dan Katabolisme dijelaskan sebagai berikut :1. Aspek oksidasi dan reduksi, katabolsime menggunakan
bentuk oksidasi (NAD+ + NADP+) dan menghasilkan bentuk reduksi (NADH dan NADPH) sementara proses anabolisme membutuhkan bentuk reduksi dan menghasilkan bentuk oksidasi.
2. Aspek energi, katabolisme merupakan eksergonik (menghasilkan energi) dengan menggunakan ADP dan menghasilkan ATP. Senyawa ATP yang dihasilkan kemudian digunakan kembali dalam reaksi endergonik (membutuhkan energi) pada proses anabolisme dan kembali menghasilkan ADP (dan AMP).
3. Aspek materi, produk akhir antara yang dihasilkan dalam katabolisme umunya menjadi materi awal dalam anabolisme. Demikian juga sebaliknya.
THANK YOU