MAKALAH BIOENERGETIKA, FOSFORILASI OKSIDATIF, OKSIDASI BIOLOGI & RADIKAL BEBAS

KELOMPOK 10 NAMA ANGGOTA:

JEANYANTY Y. DJARANJOERA (1008012016) CHANDRA L. MANEHAT (1008012024)

fAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS NUSA CENDANA2010/2011

PENDAHULUAN Bioenergetika atau termodnamika menjelaskan mengapa ada reaksi yang dapat terjadi dan ada yang tidak. Sejumlah sistem non biologi mampu memanfaatkan energy panas untuk melakukan proses kehidupan, sedangkan sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik yang memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. Prinsip dari suatu reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan elektron yang berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan sebuah konsep penting yang melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen. Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel. Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob. Suatu proses radikal bebas adalah suatu atom atau molekul yang mempunyai satu atau lebih elektron yang tidak berpasangan pada orbit terluarnya. Adanya elektron yang tidak berpasangan ini menjadikan radikal bebas sangat labil dan bersifat reakktif sehingga dapat menyebabkan kerusakan sel.

BIOENERGETIKA Bienergetika auat termodinamika adalah suatu bidang yang mempelajari perubahan energy yang menyertai suatu reaksi biokimia. Hal ini mencakup prinsip pokok yang menerangkan reaksi yang dapat terjadi dan reaksi yang tidak dapat terjadi.pada dasarnya fungs bhan bakar adalah sebagai suplai energy sehinggga tubuh dapat menjalankan fungsi normal. Ini berhubungan dengan bagaimana makanan dapat diolah menjadi energy dalam tubuh. Energi bebas adalah bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat, difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua. Hukum termodinamika 1 Energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan Hukum ini disebut juga hukum konversi energy, karena energy total termasuk energy sekitar bernilai sama meskipun terjadi bentuk konversi energy. Jadi jika berlaku hukum termodinamika 1 pada suatu sistem maka secara keseluruhan tidak ada energi yang hilang atau diperoleh selama setiap perubahan Dalam sistem total, Energi dapat ditransfer dari 1 bagian ke bagian yang lain atau ditransformasi kedalam bentuk energi yang lain. Misalnya dalam sistem kehidupan, eneri kimia dapat ditrannsformasikan menjadi energy listrik, enerdi panas, radiant atau mekanis. Hukum termodinamika 2 Entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. 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, perubahan total energi internal di dalam reaksi, 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

FOSFORILASI OKSIDATIF Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dari substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob. Proses fosforilasi oksidatif Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD +) dan flavin adenin dinukleotida (FAD). Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria (Gambar 3.7). Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis.

Fosforilasi oksidatif terdiri atas 5 proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masingmasing kompleks I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V. Tabel Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi oksidatif Nama Penyusun NADH dehydrogenase (or) kDa Polypeptides

Kompleks I

NADH-coenzyme Q reductase

800

25

Kompleks II

Succinate

dehydrogenase

(or)

Succinate-coenzyme Q reductase

140

4

Kompleks III Cytochrome C - coenzyme Q oxidoreductase 250 Kompleks IV Cytochrome oxidase Kompleks V ATP synthase 170 380

9-10 13 12-14

Tahap-tahap fosforilasi oksidatif KOMPLEKS I Pada tahap ini, masing-masing molekul NADH memindahkan 2 elektron berenergi tinggi ke FMN, kemudian ke protein besi-sulfur dan terakhir ke koenzim Q (ubiquinon)

KOMPLEKS II FADH2 dihasilkan oleh suksinat dehidrogenase dalam siklus asam sitrat, memindahkan elektron ke CoQ melalui kompleks II. Kompleks ini terdiri dari empat subunit protein dan mengantung

sebuah kofaktor flavin adenina dinukleotida yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan sebuah gugus heme

KOMPLEKS III Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tidak seperti koenzim Q yang membawa dua elektron, sitokrom c hanya membawa satu elektron.

KOMPLEKS IV Penerima terakhir dari rantai transport elektron adalah kompleks besar terdiri atas 2 heme dan 2 atom tembaga.

KOMPLEKS V Pada tahap ini, protein kompleks yang mengkatalisis konversi ADP menjadi ATP, diisikan oleh gradien kemiosmotik. Proton mengalir kembali ke matriks mitokondria melalui kompleks ATP sintase dan energi berasal dari penurunan gradien pH digunakan untuk membentuk ATP.

OKSIDASI BIOLOGI Reaksi Oksidasi Biologi selalu didikuti Reaksi Reduksi. Dimana Oksidasi sendiri berarti proses pengeluaran/kehilangan elektron atau kehilangan hidrogen (dehidrogenasi). Dan Reduksi sendiri berarti perolehan/penambahan elektron/penambahan hidrogen (hidrogenasi).

Contohnya adalah oksidasi ion ferro menjadi ferri. e- ( electron )

Ferro ( Fe 2+ )

Ferri ( Fe 3+ )

Reaksi oksidasi biologi pada makhluk hidup tingkat tinggi mutlak memerlukan adanya oksigen ( O2 ). Namun pada makhluk tertentu ( misalnya bakteri anaerob) mampu melakukan oksidasi biologi tanpa oksigen bebas. Reaksi Oksidasi Reduksi berperan dalam reaksi-reaksi yang menghasilkan energy. Proses Oksidasi Reduksi berlansung secara : 1. Aerob 2. Anaerob : membutuhkan Oksigen ( Proses Respirasi ) : tanpa Oksigen CO2 + H2O

Enzim/Ko-enzim dan Logam yang berperan dalam oksidasi biologi ialah :

ENZIM / KO-ENZIM 1. OKSIDASE 2. DEHIDROGENASE 3. HIDROPEROKSIDASE 4. OKSIGENASE

LOGAM Mg, Fe, Cu, Mo

PERAN ENZIM/KO-ENZIM DALAM PROSES OKSIDASI BIOLOGIS 1) ENZIM OKSIDASE Oksidase merupakan enzim yang berperan mengkatalisis Hidrogen yang ada dalam substrat dengan hasil berupa H2O dan H2O2. Enzim ini berfungsi sebagai akseptor ion Hidrogen dengan Oksigen sebagai akseptor Hidrogennya. Enzim ini banyak terdapat dalam mioglobin, hemoglobin, dan sitokrom lain. Enzim ini merupakan zat terakhir dari rangkaian proses respirasi yang berperan memindahkan electron yang dihasilkan dari proses oksidasi sebelumnya yaitu oleh enzim dehidrogenase. Bentuk-bentuk lain yang perannya sama dengan enzim oksidase yaitu Flavoprotein Mononukleotida (FMN) dan Flavin Adenin Dinukleotida (FAD) yang berasal dari vitamin

riboflavin. FMN banyak terdapat dalam ginjal, usus halus, dan hati. FAD banyak terdapat dalam hati. Enzim Oksidase memanfaatkan Oksigen sebagai akseptor Hidrogen.

AH2 OKSIDASE A

O2

AH2 OKSIDASE

O2

H2 O

A

H2O2

2)

ENZIM DEHIDROGENASE Enzim-enzim ini memiliki 2 fungsi utama yaitu:

Pertama, berperan dalam pemindahan hidrogen dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam reaksi reduksi-oksidasi berpasangan. Kedua, sebagai komponen dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen. Enzim ini berperan sebagai pemindah ion Hidrogen dari substrat satu ke substrat berikutnya dalam reaksi Redoks Couple. Contohnya ialah penggunaan enzim dehidrogenase dalam pemindahan electron di membrane dalam mitokondria, siklus Kreb, dan Glikolisis fase

anaerob. Enzim ini tidak menggunakan Oksigen sebagai akseptor ion Hidrogen. Reaksi Redoks couple enzim ini dapat dilihat sebagai berikut, dimana A dan B merupakan substrat :

DEHIDROGENASE SPESIFIK A A H2 (Reduksi)

DEHIDROGENASE SPESIFIK B Carrier (oksidasi) B Enzim ini

berperan sebagai pemindah ion A (Oksidasi) Carrier- H2 (Reduksi) B (Oksidasi) Hidrogen dari substrat satu Aktivitas enzim Dehidrogenase juga punya ketergantungan pada ko-enzim Nikotinamida ke substrat --- NAD (Vitamin Niasin) dan vitamin Riboflavin. berikutnya Contoh dari enzim dehidrogenase adalah suksinat dehidrogenase, asil-KoA dehidrogenase, dalam reaksi gliserol-3-fosfat dehidrogenase, semua sitokrom kecuali sitokrom oksidase. REDOKS COUPLE. Contohnya 3) ENZIM HIDROPEROKSIDASE ialah Ada dua jenis hidroperoksidase : penggunaan a) Enzim Peroksidase : banyak terdapat dalam air susu, leukosit, trombosit, dan enzim jaringan tubuh lainnya yang berperan dalam metabolisme Eikosanoid (berkaitan dehidrogenase denganAsam Lemak Tak Jenuh ). Enzim peroksidase berperan penting menjaga lipid membrane sel dan hemoglobin dari senyawaan peroksida dalam ) yang (H2O2 pemindahan bersifat toksik. Reaksinya sebagai berikut : electron di membrane PEROKSIDASE 2H2O +dalam A H2O2 + A H2 mitokondria, siklus Kreb, b) Katalase : banyak terdapat dalam jaringan hati, sel mukosa, darah, sumsum dan GLIKOLISIS tulang, dan ginjal. Bagian organel sel dari jaringan tersebut yang memiliki dua fase anaerob. Enzim ini tidak

fungsi sekaligus yaitu untuk menghasilkan dan untuk menghancurkan hydrogen peroksida adalah Enzim Peroksisom. Enzim ini berperan menghancurkan hydrogen peroksida yang dihasilkan dari aktivitas enzim oksidase. Reaksinya sebagai berikut :

KATALASE H2O2 + A H2 2H2O + A

Hubungan kerja enzim peroksisom digambarkan dalam reaksi berikut:

A H2

A

A H2O2OKSIDASE

AH2O2KATALASE

H2O2

O2

4) ENZIM OKSIGENASE Enzim ini berperan dalam sintesis atau penguraian berbagai senyawa. Enzim ini banyak ditemukan dalam hati. Ada dua macam enzim Oksigenase yaitu : Dioksigenase dan Monooksigenase. Dioksigenase berfungsi mengkatalisis penyatuan oksigen ke dalam molekul substrat. Reaksi dasarnya sebagai berikut :

DIOKSIGENASE A + O2 AO2

Enzim Monooksigenase banyak ditemukan dalam sel-sel hati yang bekerja bersama enzim Sitrokom P-450 untuk Hidroksilasi Obat. Reaksi dasar hidrosilasi obat oleh monoksigenase :

OBAT

-

H

+ O2

+ 2 Fe2+

+ 2H+

OBAT-

OH

+

H2O

+ 2 Fe3+

(P450)

(P450)

RADIKAL BEBAS Radikal bebas adalah suatu atom atau molekul yang mempunyai satu atau lebih elektron yang tidak berpasangan pada orbit terluarnya. Adanya elektron yang tidak berpasangan ini menjadikan radikal bebas sangat labil dan bersifat reaktif. Keadaan tersebut menyebabkan radikal bebas bereaksi dengan cara mengikat elektron dari molekul sel yang stabil didekatnya. Molekul yang kehilangan elektronnya akan menjadi radikal bebas juga sehingga akan memulai suatu reaksi berantai, yang akhirnya terjadi kerusakan sel. Radikal bebas terpenting dalam tubuh adalah radikal derivat dari oksigen yang disebut kelompok oksigen reaktif (reactive oxygen species/ROS). ROS secara tetap diproduksi oleh reaksi metabolisme dalam tubuh manusia. Senyawa-senyawa yang termasuk dalam kelompok oksigen reaktif:

Tabel berikut adalah daftar beberapa suber radikal bebas:

Radikal bebas dapat merusak sel tubuh apabila tubuh kekurangan zat anti oksidan atau saat tubuh kelebihan radikal bebas. Hal ini menyebabkan berkembangnya berbagai penyakit, selain itu radikal bebas juga dapat merusak membran sel serta merusak dan merubah DNA, Merubah zat kimia dalam tubuh dapat meningkatkan resiko terkena kanker serta merusak menonaktifkan protein. dan

Namun, Tubuh manusia mempunyai mekanisme pertahanan untuk bertahan terhadap radikal bebas dan ROS lainnya. Pertahanan yang bervariasi saling melengkapi satu dengan yang lain karena bekerja pada oksidan yang berbeda atau dalam bagian seluler yang berbeda. Antioksidan adalah Zat yang mampu memperlambat atau menghambat oksidasi zat yang mudah teroksidasi meskipun dalam konsentrasi rendah. Penggolongan antioksidan dibagi menjadi 3:

1.

Antioksidan primer Antioksidan primer berperan untuk mencegah pembentukan radikal bebas baru dengan memutus reaksi berantai dan mengubahnya menjadi produk yang lebih stabil. Contohnya sistem enzim yaitu superoksida dismutase R (SOD), katalase, dan glutathion peroksidase. SOD merupakan golongan enzim antioksidan yang penting dalam pendekomposisian katalitik radikal superoksida menjadi hidrogen peroksida dan oksigen. Katalase secara spesifik mengkatalisis dekomposisi hidrogen peroksida. Glutathion peroksidase merupakan golongan enzim antioksidan yang mengandung selenium yang penting dalam mengurangi hidroperoksida, sebagai contoh : hasil oksidasi lipid.

2.

Antioksidan sekunder Antioksidan sekunder berfungsi menangkap senyawa radikal serta mencegah terjadinya reaksi berantai. Antioksidan sekunder ini dapat diperoleh dari bahan makanan. VITAMIN A larut dalam lemak, dilaporkan dapat bereaksi dengan radikal bebas melalui struktur ikatan rangkapnya . VITAMIN E adalah anti oksidan yang larut dalam lemak ,yang perlu ditambahkan dalam makanan. Cara kerja Vitamin E sebagai anti oksidan adalaha Vitamin E berjalan di seluruh tubuh bersama molekul yang namanya Lipoprotein, dan dapat melindunginya dari oksidasi sehingga tidak terbentuk radikal bebas. Oksidasi dari lipoprotein ini merupakan langkah awal pembentukan: Atherosclerosis ,pengerasan pembuluh darah dan berperan pada kerusakan hati VITAMIN C larut dalam air, tidak dapat dibentuk oleh tubuh jadi harus dari makanan atau supplement ( buah-buahan dan sayuran). Vitamin C ini secara kuat dapat melemahkan radikal bebas serta mempunyai peran yang sangat penting dalam meningkatkan system kekebalan tubuh. Vitamin C dan vitamin E berjalan di seluruh tubuh bersama molekul yang namanya Lipoprotein, dan dapat melindunginya dari oksidasi sehingga tidak terbentuk radikal bebas.

SELENIUM terdapat di air minum, brokoli, kuning telur, bawang merah, bawang putih dan anggur merah Sebenarnya selenium bukan antioksidan tetapi berguna untuk produksi enzym-enzym yang berfungsi sebagai antioksidan.

3.

Antioksidan Tersier Antioksidan tersier merupakan senyawa yang memperbaiki sel-sel dan jaringan yang rusak karena serangan radikal bebas. Biasanya yang termasuk kelompok ini adalah jenis enzim misalnya metionin sulfoksidan reduktase yang dapat memperbaiki DNA dalam inti sel. Enzim tersebut bermanfaat untuk perbaikan DNA pada penderita kanker.

PENUTUP

Kesimpulan Bienergetika auat termodinamika adalah suatu bidang yang mempelajari perubahan energy yang menyertai suatu reaksi biokimia. Fosforilasi ialah sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) Radikal bebas adalah suatu atom atau molekul yang mempunyai satu atau lebih elektron yang tidak berpasangan pada orbit terluarnya. Reaksi Oksidasi Biologi selalu didikuti Reaksi Reduksi. Dimana Oksidasi sendiri berarti proses pengeluaran/kehilangan elektron atau kehilangan hidrogen (dehidrogenasi). Dan Reduksi sendiri berarti perolehan/penambahan elektron/penambahan hidrogen (hidrogenasi)