BAB 14, Siklus ATP Dan Bioenergetika Sel

BAB 14

Siklus ATP dan Bioenergetika Sel

Bioenergetika adalah bagian dari biokimia yang bersangkutan dengan

transformasi dan penggunaan energi oleh sel hidup

Hukum Pertama dan Kedua Termodinamika

- Hukum Pertama

“Di dalam setiap perubahan fisik atau kimia, jumlah total energi pada

lingkungan adalah tetap”.

Sederhananya, energi itu tidak dapat diciptakan dan tidak dapat

dimusnahkan, hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya dan

jumlah energinya tidak berubah.

- Hukum Kedua

“Semua perubahan fisik atau kimia cenderung berjalan menuju arah,

sedemikian rupa, sehingga energi yang bermanfaat terurai secara tidak

dapat balik (ireversibel) menjadi bentuk arah yang tidak teratur, yang

disebut entropi. Penguraian ini terhenti pada titik keseimbangan. Pada saat

ini, entropi yang terbentuk berada pada tingkat yang paling maksimum yang

dimungkinkan oleh kondisi lingkungan yang bersangkutan”.

Terdapat dua jenis energi bermanfaat, yaitu energi bebas dan energi panas.

Energi bebas adalah jenis energi yang melakukan kerja hanya pada suhu atau

tekanan yang tetap. Energi panas adalah energi yang melakukan kerja hanya

melalui suatu perubahan suhu tatau tekanan. Entropi adalah energi dalam keadaan

acak atau tidak teratur (energi tidak berguna).

Aspek lain dari hukum termodinamika kedua ini adalah sistem dan

lingkungan. Sistem adalah kumpulan benda-benda yang mengalami suatu proses

kimia atau fisik tertentu. Sedangkan lingkungan adalah tempat saling bertukar

1

energi dengan sistem yang bereaksi. Sistem dan lingkungan bersama-sama

menyusun suatu semesta(Gambar 14-1).

Semesta

(sistem + lingkungan)

Perubahan dalam energi bebas, panas, dan entropi di dalam reaksi kimia

pada suhu dan tekanan yang tetap, yang terdapat dalam sistem biologis,

dihubungkan satu dengan yang lain secara kuantitatif oleh persamaan :

ΔG adalah perubahan energi bebas pada sistem yang sedang bereaksi.

ΔH adalah perubahan dalam kandungan panas sistem tersebut (entalpi). Jika

sistem kehilangan atau membebaskan panas, ΔH bertanda negatif. Sedangkan

jika sistem menyerap panas dari lingkungan, maka ΔH bertanda positif.

T adalah suhu absolut pada saat proses berlangsung.

ΔS adalah perubahan dalam entropi semesta, termasuk sistem yang sedang

bereaksi.

Organisme hidup mempertahankan keteraturan internalnya dengan

mengekstrak energi bebas dari makanan (atau sinar matahari) dari lingkungannya,

dan mengenbalikan ke lingkungan jumlah energi yang sama, dalam bentuk yang

kurang berguna, terutama dalam bentuk panas, yang menjadi terbaur (acak) ke

tempat-tempat lain pada semesta. Organisme hidup secara terus menerus

memberikan entropi kepada lingkungannya sebagai upah yang diperlukan untuk

mempertahankan keteraturan internalnya sendiri.

2

Gambar 14-1Pada keadaan standar, energi dapat dipertukarkan antara sistem dan lingkungannya, tetapi pertukaran energi harus mengikuti hukum-hukum termodinamika. Pertama, jumlah total energi didalam “semesta” yaitu sistem + lingkungannya harus tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa jika suatu sistem mengalami bebrapa perubahan fisik atau kimia, entropi sistem harus meningkat, secara serentak, energi bebas sistem yang sedang bereaksi menurun. Bersamaan dengan perubahan itu, panas dapat mengalir dari sistem ke lingkunganya atau dari lingkungan ke sistem untuk memenuhi persamaan ΔG = ΔH – T ΔS

Lingkungan

Lingkungan sistem

ΔG = ΔH – T ΔS

Sel aerobik melakukan oksidasi glukosa (C6H12O6) menjadi CO2 dan H2O

pada suhu dan tekanan tetap

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Keadaan dianggap baku jika suhu setempat 25°C atau 298°K dan tekanan 1 atm

(760 mmHg). Dalam perhitungan termodinamika perubahan energi berikut ini

terjadi pada oksidasi glukosa per mol.

ΔG = -686.000 kal/mol

ΔH = -673.000 kal/mol

ΔS = Δ H−ΔG

T

= −673.000−(−686.000)

298

= + 44 kal/mol

Peningkatan di dalam ketidakteraturan atau entropi molekular,

menyebabkan oksidasi glukosa.

Sel Membutuhkan Energi Bebas

Bentuk energi yang dapat dan harus digunakan oleh sel adalah energi

bebas, yang dapat melakukan kerja pada suhu dan tekanan yang tetap. Sel

heterotrof memperoleh energi bebas dari molekul nutrien kaya energi, dan sel

fotosintetik memperoleh energi bebas dari radiasi solar yang diserap. Kedua jenis

sel mengubah input energi bebas ini menjadi bentuk umum energi kimia, dan

menggunakannya untuk menjalankan aktifitas sel melalui proses yang tidak

melibatkan perbedaan suhu dan tekanan tetap.

Perubahan Energi Bebas Baku suatu Reaksi Kimia Dapat Dihitung

Setiap reaksi memiliki perubahan energi bebas baku (ΔG°). Di dalam

reaksi yang mengandung lebih dari satu molekul pereaksi atau produk, seperti

reaksi:

aA + bB cC + dD

3

(molekul yang bereaksi telah membebaskan panas)

(entropi semesta telah meningkat)

(energi bebas sistem, yang merupakan molekul yang bereaksi telah menurun)

ΔG° = -2,303 RT log K’eq

a, b, c, dan d merupakan jumlah molekul A, B, C, dan D yang berpartisipasi.

Tetapan kesetimbangan:

K’eq = [[C ]C [D ]D ][ A]A [B ]B

Untuk menghitung perubahan energi bebas baku ΔG° menggunakan persamaan:

R = tetapan gas (1,987 kal/mol.K)

T = suhu mutlak (298°K)

*K’eq> 1,0 , maka ΔG° = negatif (-)

K’eq< 1,0 , maka ΔG° = positif (+)

ΔG°adalah perbedaan diantara kandungan enerdi-bebas pereaksi, dan

energi bebas prosuk pada keadaan baku (298°K, 1 atm, pereaksi serta produk pada

konsentrasi 1 M). ΔG° bertanda negatif jika produk mengandung energi bebas

lebih sedikit dari pada pereaksi sehingga reaksi akan berjalan ke arah

pembentukan produk pada keadaan baku. Jika ΔG° bertanda positif, berarti

produk reaksi mengandung lebih banyak energi bebas dari pereaksi, sehingga

reaksi akan berjalan ke arah kebalikannya.

ΔG° Memiliki Nilai Khas bagi Reaksi Kimia yang Berbeda

Jika perubahan energi bebas baku (ΔG°’) mempunyai tanda negatif, berarti

reaksi berlangsung dengan hilangnya energi bebas. Jika perubahan energi bebas

baku (ΔG°’) mempunyai tanda positif, berarti reaksi berlangsung dengan

menyerap energi bebas.

Hidrolisis senyawa sederhana ester, amida, peptida, dan glikosida, serta

penyusunan dan eliminasi berjalan dengan perubahan energi bebas baku yang

relatif kecil, sedangkan hidrolisis anhidrida asam terjadi dengan penurunan energi

baku yang relatif besar. Oksidasi senyawa organik menjadi CO2 dan H2O berjalan

dengan penurunan energi bebas baku yang besar. Namun, perubahan energi bebas

4

baku tidak menyatakan berapa banyak energi bebas yang dapat dimanfaatkan

secara biologi.

Terdapat Perbedaan Penting Diantara ΔGo’ dan ΔGo.

Perubahan energi bebas baku ΔG°’ menyatakan arah reaksi dan berapa

jauh reaksi tertentu akan berjalan dalam mencapai keseimbangannya, jika reaksi

ini terjadi pada kondisi baku (konsentrasi awal semua komponen 1,0 M; pH 7,0;

dan suhu 25oC). ΔGo’merupakan suatu tetapan yang tidak dapat diubah.

Selanjutnya, ΔGo setiap reaksi yang sedang menuju keseimbangan selalu

beranda negatif dan menjadi lebih kecil (berkurang negatifnya) dengan melajunya

reaksi, dan menjadi nol pada titik keseimbangan. Jadi, ΔGo adalah perubahan

energi bebas reaksi pada konsentrasi yang sesungguhnya, pada saat terjadi reaksi

kimia tersebut.

ΔGo dan ΔGo’ bagi setiap reaksi A + B → C + D dihubungkan oleh

persamaan:

∆ G=∆ G ˚+2,303 RT log[ C ] [D ][ A ] [B ]

Dapat disimpulkan bahwa ΔGo reaksi kimia yang sedang berlangsung

bertanda negatif dan selalu meningkat menuju nilai nol, sedangkan ΔGo’ akan

tetap konstan.

Nilai Energi Bebas Baku Reaksi-reaksi Kimia dapat Dijumlahkan

Sebagai contoh ada 2 buah reaksi kimia sebagai berikut:

Glokusa 1-fosfat

Glukosa 6-fosfat

Fruktosa 6-fosfat

5

fosfoglukomutase

Glukosa fosfat isomerase

ΔGo’ = - 1,74 kkal/mol

ΔGo’ = - 0,40 kkal/mol

Jumlah kedua reaksi:

Glukosa 1-fosfat fruktosa 6-fosfat

Maka, energi bebas bakunya adalah:

∆G3˚’ = -1,74 + (+0,40) = -1,34 kkal/mol

ATP Adalah Rantai Kimia Utama diantara Aktivitas Sel Penghasil Energi

dan Aktivitas Sel yang Membutuhkan Energi

Prinsip dasar perubahan energi dalam sistem kimia dapat diamati dari

siklus energi dalam sel. Sel heterotrof memperoleh energi bebas dari degradasi

(katabolisme) molekul nutrien dan menggunakan energi ini untuk:

1. Melakukan sintesis biomolekul dari molekul pemula yang lebih kecil,

2. Menjalankan kerja mekanik,

3. Mengangkut biomolekul atau ion melalui membran menuju daerah

berkonsentrasi lebih tinggi.

ATP berperan dalam katabolisme sebagai pembawa energi kimia dan

memberikan sejumlah energinya kepada proses-proses yang memerlukan energi

dengan memecah dirinya menjadi ADP dan fosfat.

Gambar Siklus ATP di dalam sel

Kimiawi ATP Telah Dikenal Baik

ATP, ADP (adenosin difosfat) dan AMP (adenosin monofosfat)

merupakan nukleotida. Di dalam ATP, ADP, dan AMP, basa yang terkandung

adalah purin, adenin, dan gula 5-karbonnya adalah D-ribosa. Nukleotida

melakukan berbagai fungsi sel, terutama sebagai unit pembangun DNA dan RNA,

yakni berperan menjadi unsur penyandi. Di dalam sel normal yang melakukan

6

respirasi, ATP menyusun sampai 80% atau lebih dari jumlah ketiga adenin

ribonukleotida.

Pada pH 7,0, ATP dan ADP terdapat sebagai anion ATP4- dan ADP3- yang

bermuatan banyak karena hampir semua kandungan fosfat mengion sempurna

pada pH ini. Namun dalam cairan intra sel yang mengandung Mg2+ berkonsentrasi

tinggi, ATP dan ADP terdapat sebagai senyawa kompleks Mg ATP2- dan Mg

ADP-. Dalam banyak reaksi enzimatik yang melibatkan ATP sebagai donor fosfat,

bentuk aktifnya adalah MgATP2-. Di dalam sel, konsentrasi ATP biasanya relatif

konstan dalam keadaan imbang, kecepatan pembentukan ATP diimbangi oleh

kecepatan degradasinya. Jadi, gugus fosfat ujung pada pembentukan ATP

mengalami penguraian dan penggantian secara terus-menerus dari pool fosfat

anorganik selama metabolisme sel.

ATP Memiliki Energi Bebas Hidrolisis Baku yang Khas

ATP mengalami kehilangan gugus terminal fosfatnya jika terhidrolisis,

dengan membentuk ADP dan fosfat anorganik

ATP + H2O ADP + Pi ∆G˚’ = -7,3 kkal/mol

ATP disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan glukosa 6-fosfat sebagai

senyawa fosfat berenergi rendah. ATP termasuk senyawa fosfat berenergi tinggi

karena ketika ∆G˚’ hidrolisis ATP mencapai -7,3 kkal/mol, sama dengan

∆G˚’hidrolisis ADP menjadi AMP yang menandakan kedua gugus fosfat ujung

ATP adalah gugus berenergi tinggi. Sedangkan ketika AMP dihidrolisis

menghasilkan adenosin dan fosfat, ∆G˚’nya hanya mencapai -3,4 kkal/mol saja

sehingga pemecahan molekul ini termasuk ke dalam kelas berenergi rendah.

Mengapa ATP Memiliki Energi Bebas Hidrolisis Baku yang Relatif Tinggi?

Terdapat tiga struktur yang menentukan energi bebas baku hidrolisis ATP

yaitu:

1. Derajat ionisasi ATP dan produk hidrolisisnya.

2. Molekul ATP memiliki empat muatan negatif yang letaknya berdekatan,

yang saling tolak-menolak ketika pH = 7,0.

7

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HH

H

CH2

H

OPO

O-

O

P

O-

O

OP-O

O-

O

Adenin

Penentuan ke tiga gugus fosfat

Gugus Fosfatujung berenergi tinggi

D-Ribosa

AMP

ADP

ATP

(a)

3. Kedua produk hidrolisis ATP yaitu ADP3 -dan HPO42- merupakan hibrid

resonansi, yaitu suatu bentuk stabil yang khusus, dengan elektron tertentu

dalam konfigurasi yang memiliki jauh lebih sedikit energi dibandingkan

dengan kedudukan aslinya di dalam molekul ATP.

Ikatan fosfat berenergi tinggi yang dilambangkan dengan “~” menyatakan

bahwa ikatannya mengandung energi. Sebenarnya pemecahan ikatan justru

membutuhkan input energi. Energi bebas yang ada pada hidrolisis suatu molekul

organik bukan berasal dari penguraian ikatan khusus, tetapi lebih diakibatkan pada

produk reaksi memiliki kandungan energi bebas yang lebih sedikit dibandingkan

dengan pereaksi.

8

ATP Berperan Sebagai Senyawa Antara yang Berlaku Umum di dalam

Reaksi Pemindahan Posfat

Reaksi-reaksi metabolisme berjalan melalui serangkaian reaksi enzimatis

berurutan, yang dihubungkan oleh senyawa antara yang bersifat umum, di mana

produk dari suatu reaksi menjadi substrat reaksi berikutnya.

A + B → C + D

D + E → F + G

Reaksi-reaksi di atas dihubungkan oleh senyawa antara D. Agar energi

kimia dapat berpindah dari satu reaksi kimia ke reaksi kimia yang lain, maka

kedua reaksi harus memiliki senyawa antara. Jadi, komponen D pada kedua reaksi

tersebut dapat berfungsi sebagai cara pemindahan energi dari reaksi pertama ke

reaksi kedua.

Selama berlangsungnya reaksi katabolik yang memberikan energi,

dihasilkan senyawa fosfat berenergi tinggi dengan menggunakan energi yang

dibebaskan pada degradasi nutrien sel. Enzim kinase mengkatalisis pemindahan

senyawa fosfat dari senyawa fosfat berenergi tinggi tersebut (X — P) kepada

ADP membentuk ATP. Pada tahap kedua, kinase khusus lainnya mengkatalisa

pemindahan senyawa fosfat terminal dari ATP ke suatu molekul penerima.

X — P + ADP → X + ATP

ATP + Y → Y — P

Adanya ATP sebagai senyawa antara mengakibatkan pindahnya energi

kimia dari X — P menuju Y melalui pemindahan gugus fosfat. ATP hampir selalu

menjadi perantara bagi reaksi pemindahan gugus fosfat tersebut, karena sel tidak

memiliki kinase yang dapat memindahkan senyawa fosfat secara langsung dari

senyawa fosfat dengan energi super tinggi kepada senyawa penerima berenergi

rendah.

9

Dua Senyawa Fosfat Berenergi Super-Tinggi Dihasilkan pada Pemecahan

Glukosa Menjadi Laktat

Terdapat dua senyawa penting pemberi gugus fosfat kepada ADP, yaitu 3-

fosfogliseroil fosfat dan fosfoenolfiruvat. Keduanya dibentuk pada reaksi

pemecahan glukosa menjadi laktat yang menghasilkan energi. Proses ini disebut

glikolisis.

m

Sebagian besar energi bebas yang dilepaskan pada degradasi glukosa

menjadi laktat di simpan dalam kedua senyawa tersebut. Di dalam sel, senyawa

fosfat berenergi tinggi tidak mengalami hidrolisis, namun gugus fosfat tersebut

dipindahkan ke ADP menghasilkan ATP dengan katalis enzim kinase. Reaksi

pemindahan gugus fosfat pada senyawa 3-fosfogliseroil fosfat adalah:

10

Glukosa

Laktat

3-fosfogliseroil fosfat

Fosfoenolfiruvat

ATP

ATP

Senyawa antara berenergi super tinggi Pembentukan 2

jenis senyawa fosfat berenergi super tinggi pada pemecahan glukosa menjadi laktat yang menghasilkan energi. Masing-masing dapat memberikan gugus fosfat kepada ADP, untuk membentuk ADP.

Hanya satu di antara dua gugus fosfat dari fosfogliseroil fosfat yang

dipindahkan ke ADP, yaitu gugus fosfat yang terikat pada gugus karboksil. Gugus

fosfat lainnya (pada karbon no. 3) merupakan gugus berenergi rendah.

Fosfoenolfiruvat, senyawa fosfat berenergi tinggi lainnya, yang dibentuk

pada pemecahan glukosa menjadi piruvat juga memberikan gugus fosfatnya ke

ADP melalui reaksi serupa, yang dikatalisis oleh piruvat kinase.

Pemindahan Gugus Fosfat dari ATP ke Suatu Molekul Penerima Dapat

Memberikannya Tenaga

ATP dapat memindahkan gugus fosfat kepada berbagai molekul penerima

untuk menghasilkan senyawa fosfat berenergi rendah, seperti senyawa fosfat dari

alkohol. Terdapat heksokinase, yang mengkatalisa pemindahan gugus fosfat dari

ATP ke D-glukosa.

Yang lain adalah gliserol kinase¸ yang mengkatalisis reaksi:

Glukosa 6-fosfat dan gliserol 3-fosfat berperan sebagai unit pembangun

yang telah diaktifkan untuk sintesis molekul yang lebih besar. Sebagian dari

energi bebas yang semula dihasilkan oleh degradasi glukosa menjadi laktat, yang

disimpan dalam bentuk fosfogliseroil fosfat dan fosfoenolfiruvat, dapat

dipindahkan ke gliserol, glukosa, atau penerima fosfat lainnya, di mana ATP

berperan sebagai pembawa energi kimia antara dalam bentuk gugus fosfat.

11

ATP Dipergunakan untuk Memberikan Energi pada Kontraksi Otot

ATP memberikan energi kimia bagi dua bentuk utama kerja sel, yaitu

kerja mekanik pada kontraksi otot dan kerja osmotik atau kerja melawan

konsentrasi yang diperlukan untuk melakukan transport melawan konsentrasi

gradien.

Di dalam sistem kontraktil sel otot kerangka terdapat dua jenis filament

utama, yaitu filamen tebal yang terdiri dari serangkaian molekul miosin berbentuk

batang yang tersusun secara parallel, dan filamen tipis yang terdiri dari dua

untaian serabut aktin (F aktin) yang saling membelit terhadap sesamanya. Pada

serabut otot, filamen tebal dan tipis secara teratur disusun sejajar, saling terjalin,

dalam suatu unit berulang yang disebut sarkomer.

Selama kontraksi otot, filamen tipis di dalam tiap sarkomer, yang

menyebabkan terjadinya pemendekan keseluruhan serat otot. Hidrolisis ATP

menjadi ADP dan fosfat, memberikan energi kimia bagi gerakan meluncur

filamen-filamen ini. Tiap-tiap molekul miosin pada filamen tebal memiliki kepala

dengan ukuran besar, dan kepala tersebut sebenarnya merupakan enzim. Molekul

ini menghidrolisis ATP bersamaan dengan berlangsungnya persinggung dan

pelepasan berulang-ulang dengan filamen tipis, sehingga tenaga meluncur yang

12

menyebabkan filamen tebal bergerak di sepanjang filamen tipis menuju ke ujung

sarkomer. Hidrolisis ATP dianggap terjadi bersama-sama dengan perubahan

dalam bentuk atau konformasi kepala miosin, sehingga dihasilkan suatu tenaga

mekanik. Dengan cara ini, miosin dan aktin berfungsi untuk mengubah energi

kimia menjadi energi mekanik pada kontraksi otot.

Kontraksi dan relaksasi otot kerangka diatur oleh konsentrasi Ca2+ di dalam

sitosol. Pada saat syaraf penggerak memberikan rangsangan terhadap serabut otot,

Ca2+ dibebaskan dari tubul membran yang memanjang pada sel otot. Ca2+ yang

dibebaskan berikatan dengan troponin, yang brfungsi sebagai pelatuk. Molekul ini

mengalami perubahan konformasi yang menimbulkan aktivitas ATPase pada

kepala molekul miosin pada filamen tebal, sehingga terjadi kontraksi. Otot

relaksasi terjadi jika impul syaraf terhenti, dan Ca2+ diangkut dari sarkoplasma ke

dalam sisterne pada sarkoplasmik reticulum melalui aktivitas pompa Ca2+ ATPase

pada membran. Jadi, energi ATP diperlukan saat kontraksi dan relaksasi otot, di

mana energi yang dibebaskan oleh hidrolisis ATP dapat digunakan untuk

memompa ion lain melalui membran.

Fosfokreatin Merupakan Bentuk Cadangan Sementara dari Gugus Fosfat

Berenergi Tinggi di dalam Otot

Fosfokreatin (disebut juga kreatin fosfat) berperan sebagai bentuk

cadangan sementara gugus fosfat berenergi tinggi, di mana ∆Go’ hidrolisisnya

sebesar -10,3 kkal/mol. Fosfokreatin dapat memindahkan gugus fosfatnya kepada

ATP, dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim kreatin kinase.

Fosfokreatin + ADP kreatin + ATP

Fosfokreatin berfungsi untuk mempertahankan konsentrasi ATP di dalam

sel otot. Jika sebagian ATP pada sel otot digunakan untuk kontraksi, terjadi

pembentukan ADP. Dengan bantuan kreatin kinase, fosfokreatin dengan cepat

memberikan gugus fosfatnya ke ADP untuk mengembalikan tingkat normal ATP.

Kandungan fosfokreatin otot kira-kira 3-4 kali lebih besar dari kandungan ATP,

sehingga senyawa ini dapat menyimpan gugus fosfat dalam jumlah cukup untuk

13

mempertahankan tingkat ATP supaya tetap. Selama periode pengembalian

selanjutnya, kreatin yang terakumulasi difosforilasi kembali menjadi fosfokreatin

oleh ATP, karena reaksi kreatin kinase bersifat dapat balik.

Pada kebanyakan invertebrata, ototnya mengandung fosfoarginin, sebagai

pengganti fosfokreatin sebagai bentuk cadanagn energi. Senyawa seperti

fosfokreatin dan fosfoarginin yang berfungsi sebagai cadangan energi disebut

fosfagen.

ATP juga Mengaktifkan Transport Aktif Melalui Membran

Energi ATP juga dapat digunakan untuk melaksanakan kerja konsentrasi,

yaitu kerja yang diperlukan untuk mengangkut ion atau molekul melalui membran

ke dalam ruang cair lain dengan dengan konsentrasi yang lebih tinggi. Untuk

menghitung energi bebas yang diperlukan untuk mengangkut 1,0 mol senyawa

terlarut nonionik dari satu ruangan ke ruangan lain dengan persamaan:

∆ G=2,303 RT logC2

C1

C1 : konsentrasi molar senyawa terlarut di dalam medium sekeliling

C2 : konsentrasi molar di dalam sel

R : tetapan gas

T : suhu absolut

Contoh: menentukan energi bebas yang diperlukan untuk mengangkut 1

mol glukosa, melawan ratusan kali gradien dari medium berkonsentrasi 1,0 mM

ke dalam ruangan berkonsentrasi akhir 100 mM.

∆ G=2,303 (1.98 )(298) log0,1000,001

= 1360 (2,0)

= 2720 kal/mol

14

= 2,72 kkal/mol

Karena energi bebasnya bernilai positif, maka transport 1 mol glukosa

melawan seratus gradien membutuhkan sedikitnya 2,72 kkal/mol.

Transport aktif adalah trasnport senyawa terlarut melalui membran

terhadap gradien konsentrasi. Membran sel darah mengandung enzim khusus,

yang dinamakan ATPase pengangkut Na+ K+, yang berfungsi baik sebagai suatu

enzim, maupun sebagai pompa molekuler. ATPase ini mengkatalisis hidrolisis

ATP menjadi ADP dan fosfat, dan menggunakan energi bebas yang dibebaskan

untuk memompa K+ ke dalam dan Na+ ke luar. Sebagai tahap pemberi energi

dalam proses ini, gugus fosfat pada ujung ATP dipindahkan kepada molekul Na+

K+- ATPase. Gugus fosfat yang telah terikat pada enzim mengalami hidrolisis dan

muncul sebagai fosfat anorganik di dalam sitosol pada saat molekul ini

memberikan energi untuk mengangkut Na+ K+ pada arah yang berlawanan melalui

membran, masing-masing melawan suatu gradien. ADP dan fosfat yang terbentuk

lalu diubah kembali menjadi ATP oleh pemecahan glukosa yang menghasilkan

Na+ K+- ATPase tidak menghidrolisis ATP, kecuali Na+ tersedia pada bagian

dalam sel dan K+ tersedia di bagian luar. Na+ K+ - ATPase, yang memiliki 2

subunit α dan 2 subunit β yang memanjang pada membran plasma. Molekul ini

mengalami perubahan konformasi selama tahap pengangkutan ini. Pada ginjal,

yang harus menghasilkan kelebihan Na+ di dalam urin dan menahan K+ ini dalam

darah, hampir dua pertiga ATP yang dihasilkan oleh respirasi dipergunakan untuk

mengangkut Na+ dam K+.

Berikut beberapa ATPase membaran pengankut kation.

Nama Jenis Sel Lokasi Fungsi

Na+ K+- ATPase Kebanyakan sel

hewan

Membran plasma Mempertahankan

konsentrasi

tinggi K+di

dalam sel

H+- ATPase Sel parietal pada Membran plasma Sekresi H+ di

15

mukosa lambung dalam cairan

lambung

H+- ATPase Sel hewan dan

tumbuhan

Sel tumbuhan

Bakteri

Membran sebelah

dalam mitokondria

Membran sebelah

dalam kloroplas

Membran plasma

Berpartisipasi di

dalam oksidatif

dan fosforilasi

fotosintetik ADP

mejadi ATP

C2+- ATPase Bakteri

Sel hewan

Membran plasma

Retikulum

sarkoplasmik

Memompa Ca2+

keluar sel untuk

mempertahankan

Ca2+di dalam

sitosol

Memompa

Ca2+ke dalam

sisterna pada

retikulum

sarkoplasmik

untuk membuat

otot dalam

keadaan istirahat

ATP dapat juga Diuraikan Menjadi AMP dan Pirofosfat

Meskipun secara umum menghasilkan ADP dan fosfat, pada beberapa

reaksi sel pemakai ATP, kedua gugus fosfat pada ujung molekul ATP, yaitu gugus

β dan γ, dilepaskan sebagai satu senyawa yaitu pirofosfat anorganik

(dilambangkan sebagai PPi) dan adenosin monofosfat (AMP) sebagai produk lain

pada penguraian ATP. Contohnya adalah aktifasi enzimatik suatu asam lemak

16

untuk membentuk ester koenzim A nya, suatu reaksi yang memberikan energi

kepada asam dan mengubahnya menjadi suatu pemula aktif, asil lemak-KoA, bagi

biosintesis lipid.

ATP + RCOOH + KoA-SH AMP + PPi +

Reaksi aktifasi ini berjalan dengan pelepasan pirofosfat dari ATP untuk

menghasilkan pirofosfat dan AMP, berlainan dengan pemecahan ortofosfat pada

umumnya dimana ATP kehilangan satu gugus ortofosfat seperti di dalam reaksi

heksokinase.

ATP + D-glukosa → ADP + D-glukosa 6-fosfat

Hidrolisi ATP untuk menghasilkan AMP + PPi

ATP + H2O → AMP + PPi

Pirofosfat anorganik selanjutnya dihidrolisis oleh pirofosfatase menghasilkan dua

molekul ortofosfat anorganik.

Pirofosfat + H2O → AMP + 2Pi ΔGo’ = - 6,9 kkal/mol

Rekasi keseluruhan

Pirofosfat + H2O → AMP + 2Pi ΔGo’ = -14,6 kkal/mol

Penggunaan 2 gugus fosfat dari ATP untuk mengaktifkan satu molekul

prekursor terlihat seperti pemborosan energi gugus fosfat, tetapi hal ini

merupakan cara penting untuk menjamin sempurnanya rekasi biosintetik tertentu.

Penggunaan menyimpang dari pembebasan pirofosfat dari ATP terjadi pada

17

ΔGo’ = -3,3 kkal/mol

Asam Lemak Asam Lemak - KoA

ΔGo’ = + 0,2 kkal/mol

ΔGo’ = -7,7 kkal/mol

kunang-kunang yang menggunakannya sebagai sumber energi untuk

memancarkan cahaya.

Pada kunang-kunang gabungan ATP dan energi oksidatif digunakan di

dalam serangkaian reaksi yang mengubah energi kimia menjadi energi cahaya.

Pertama, lusiferin diaktifkan oleh suatu reaksi enzimatik oleh ATP, dan

pembentukan lusiferil adenilat. Senyawa ini sekarang bereaksi dengan molekul

oksigen dan lusiferase menyebabkan reaksi dekarboksilasi oksidatif lusiferin

menghasilkan oksilusiferin. Reaksi ini dengan tahap-tahap antaranya diikuti oleh

pelepasan cahaya. Berikut siklus bioluminesen pada kunang-kunang.

Lusiferin dan lusiferase kunang-kunang dalam bentuk murni digunakan

untuk mengukur sejumlah kecil ATP melalui pengukuran intensitas cahaya yang

dihasilkan. ATP dapat diukur sampai sekecil beberapa pikomol (10-12 mol).

AMP dapat kembali ke siklus ATP melalui kerja enzim yang ada pada

semua sel hewan yaitu adenilat kinase, yang mengkatalisis fosforilasi dapat balik

AMP menghasilkan ADP.

ATP + AMP ADP + ADP

ADP yang dibentuk sekarang terfosforilasi kembali menjadi ATP.

Adenilat kinase memiliki fungsi penting lainnya. Jika enzim ini bekerja

dengan arah sebaliknya.

18

Mg2+¿¿

Mg2+¿¿

2ADP ATP + AMP

Adenilat kinase membantu memindahkan gugus fosfat ujung dari suatu dari suatu

molekul ADP ke molekul ADP lainnya, dan mengubah molekul kedua ini menjadi

ATP. Pada otot yang berkontraksi, adenilat kinase membiarkan penggunaan kedua

gugus fosfat γ dan βpada ATP sebagai sumber energi. Akibatnya, adenilat kinase

yang bekerja pada ADP dapat membantu menghasilkan fosfokreatin sebagai

sumber ATP selama kontraksi otot.

Terdapat Nukleosida 5’-Trifosfat Berenergi Tinggi Lain Disamping ATP

Uridin trifosfat (UTP), guanosin trifosfat (GTP) dan sitidin trifosfat (CTP)

merupakan analof ribonukleotida berfosfat bagi struktur ATP dan dengan ΔGo’

hidrolisis yang sama. Senyawa-senyawa ini terdapat di dalam semua sel, tetapi

pada konsentrasi yang jauh lebih rendah dibandingkan ATP. Juga yang ditemukan

di dalam sel pada konsentrasi rendah adalah senyawa-senyawa

deoksiribonukleosida 5’-trifosfat 2’-deoksiadenosein 5’-trifosfat (dATP), 2’-

deoksiguanosin 5’-trifosfat (dCTP) dan 2’-deoksitimidin 5’-trifosfat (dTTP).

Walaupun ATP merupakan pembawa gugus fosfat utama di dalam sel,

jenis nukleosida 5’-trifosfat lainnya dikhususkan untuk berfungsi pada lintas

biosintetik tertentu. Senyawa-senyawa ini memperoleh gugus fosfat terminalnya

dari ATP dalam reaksi yang dikatalisis oleh enzim yang bergantung kepada Mg2+

yang dinamakan nukleosida difosfokinase, yang membantuk jenis reaksi balik

berikut ini

ATP + UDP ADP + UTP

ATP + GDP ADP + GTP

ATP + CDP ADP + CTP

GTP + UDP GDP + UTP

ATP + dCDP ADP + dCTP

19

GTP + dADP GDP + dATP

Sistem ATP Berfungsi di dalam Keadaan Imbang Dinamik

Untuk mengetahui bahwa sistem ATP berfungsi untuk memindahkan

energi fosfat di dalam sel utuh digunakan fosfor radioaktif (32P) sebagai pelacak

dalam percobaan. Salah satu cara dengan menentukan kecepatan kembalinya

gugus fosfat ujung ATP yang terdapat di dalam sel atau jaringan ke media dengan

menggunakan fosfat anorganik yang dicirikan oleh 32P. Fosfat anorganik tersebut

masuk ke dalam sel yang sedang melakukan aktivitas respirasi, dan kandungan

ATP sel diisolasi dari contoh sel pada selang waktu pendek sesudah konsumsi

fosfat tersebut. Walaupun konsentrasi ATP tidak berubah, gugus fosfat terminal

dengan cepat menjadi fosfat radioaktif, menunjukkan bahwa gugus fosfat ujung

atau γ cepat terurai dan cepat pula digantikan oleh fosfat radioaktif dari pool fosfat

anorganik. Proses balik ini berlangsung sampai spesifik radioaktif gugus fosfat

ujung dari ATP sama dengan fosfat anorganik pada pool. Kecepatan balik gugus

fosfat terminal (ujung) ATP ternyata amat tinggi. Waktu paruh bagi pergantian

gugus fosfat ujung ATP pada sel hati yang sedang melakukan respirasi hanya

semenit atau 2 menit, di dalam sel bakteri anaerobik yang bernafas pada kecepatan

yang jauh lebih tinggi daripada sel hewan, kecepatannya mencapai hanya dalam

waktu detik. Sebaliknya, gugus fosfat `α pada ATP yang terikat langsung pada

bagian D-ribosa molekul terurai dan terikat dengan amat lambat.

Walaupun kecepatan berbalik gugus fosfat ujung ATP amat tinggi di

dalam sel hidup, konsentrasi total ATP tetap konstan, dan oleh karena itu kita

memiliki suatu keadaan imbang dinamis. Pada keadaan ini, kecepatan penggunaan

ATP untuk memberikan energi diimbangi oleh kecepatan refosforilasi ADP

membentuk ATP bersamaan dengan proses oksidasi bahan bakar sel, sehingga

ATP di bentuk dari ADP dan fosfat pada kecepatan yang cukup untuk mengatasi

kebutuhan energi sel pada setiap waktu.

20