Bab 18 Bioenergetik Sel

BAGIAN IVPembentukan ATP dariBahan Bakar MetabolikSemua proses yang terjadi di dalam sel hidup adalah proses transformasi Gbr. 18.1. Transformasi energi dalam metabo-energi. Energi kimia yang terkandung dalam ikatan karbon-karbon dan lisme bahan bakar.karbon-hidrogen diubah menjadi bentuk lain: informasi yang terkandung da-lam struktur kimia DNA yang kompleks, gradien potensial elektrokimia yangdapat menciptakan lingkungan intrasel sehingga berbeda dari lingkungan disekitarnya, atau gerakan teratur kelompok sel. Transformasi energi yang terli-bat dalam pemanfaatan energi ikatan kimia bahan bakar untuk proses di da-lam sel yang memerlukan energi dapat dibagi menjadi tiga fase: (1) pem-bentukan energi dari oksidasi bahan bakar, (2) perubahan energi ini menjadiikatan fosfat berenergi tinggi ATP (yaitu bentuk yang secara biologis ber-guna), dan (3) penggunaan energi pada ikatan fosfat ATP untuk menjalankanproses yang memerlukan energi (Gbr. 18.1). Dua fase pertama dari transformasi energi adalah bagian dari proses per-napasan (respirasi) sel, yaitu penggunaan untuk menghasilkan ATP darioksidasi bahan bakar menjadi CO^ (Gbr. 18.2). Pernapasan sel adalah suatuproses mitokondria dan jalur-jalurnya terdapat, sebagian besar, di mitokon-dria (lihat Bab 10). Pada fase 1 pernapasan, energi berasal dari oksidasi bahan bakar olehenzim yang memindahkan elektron dari bahan bakar ke koenzim NAD* danFAD sebagai penerima elektron. Kedua koenzim ini masing-masing menga-lami reduksi menjadi NADH dan FAD(2H). Jalur untuk oksidasi glukosa, asamlemak, badan keton, dan banyak asam amino menyatu dalam pembentukangugus asetil 2-karbon aktif dalam asetil KoA. Oksidasi sempurna gugus asetilmenjadi CO^ berlangsung di dalam siklus asam trikarboksilat (ATK), yangmengumpulkan energi terutama sebagai NADH dan FAD(2H). Fase 2 pernapasan sel berlangsung di mitokondria. Energi yang berasaldari oksidasi bahan bakar diubah menjadi ikatan fosfat berenergi tinggi ATPmelalui proses fosforilasi oksidatif. Terjadi pemindahan elektron dari NADHdan FAD(2H) ke oleh rantai transpor elektron mitokondria. Proses ini me-nimbulkan potensial elektrokimia dalam bentuk gradien proton transmembranyang dapat digunakan untuk mendorong pembentukan ATP dari ADP dan Pj. Energi bebas yang tersedia dari hidrolisis ATP kemudian digunakan untukmenjalankan proses yang memeriukan energi dengan mengubah konformasienzim dan protein lain yang memudahkan proses tersebut beriangsung. Padaumumnya, kecepatan reaksi yang teriibat dalam oksidasi bahan bakar disela-raskan secara ketat dengan kecepatan penggunaan ATP oleh mekanismepengaturan umpan-balik. Pengaturan umpan-balik menghasilkan simpananbahan bakar yang tidak segera diperiukan untuk sintesis ATP. Walaupun pembentukan ATP dari fosforilasi oksidatif merupakan halesensial bagi kehidupan, oksigen juga memiliki potensi toksik bagi sel. Oksi- 267

268 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN B A K A R M E T A B O L I K Asam lemak GluKosa Asan; amino Nitrogen ' Urea — Respirasi fase 1 Oksidasi bahan bakar Respirasi fase 2 Pembentukan ATP dari fosforilasi oksidatif H2O O2 Gbr. 18.2. P e m a p a s a n sel. A p = g r a d i e n p r o t o n .Glukosa gen memiliki kecenderungan membentuk radikal oksigen dan spesies oksi- g e n r e a k t i f (reactive oxygen species, R O S ) l a i n n y a . S p e s i e s o k s i g e n r e a k t i fNADH * dapat memulai reaksi rantai radikal bebas, merusak DNA, menyebabkan de- naturasi protein, dan menyebabkan degradasi lemak membran. Sel dilindungi Piruvat dari toksisitas oksigen oleh mekanisme pertahanan enzimatik dan vitamin an- y\" tioksidan, misalnya vitamin E. 0 NADH^ Satu-satunya jalur metabolisme bahan bakar yang dapat menghasilkanLaktat Asetil koA A T P tanpa oksigen adalah glikolisis anaerobik. Dalam glikolisis, 1 mol glu- kosa diubah menjadi 2 mol piruvat oleh reaksi yang berlangsung di dalam si-Glikolisis Siklus tosol. Dihasilkan A T P oleh pemindahan fosfat dari zat antara terfosforilasianaerobik ATK yang berenergi tinggi ke A D P melalui proses yang disebut sebagai fosforilasi t i n g k a t s u b s t r a t (substrat level phosphoryTation). A p a b i l a p i r u v a t d i r e d u k s iGbr. 18.3. G l i k o l i s i s a n a e r o b i k . P e r u b a h a n menjadi laktat oleh N A D H , pembentukan A T P ini tidak memerlukan oksigenglukosa menjadi laktat bersifat anaerobik. dan disebut sebagai glikolisis anaerobik (Gbr. 18.3). Glikolisis anaerobik me-Apabila piruvat yang berasal dari glukosa diu- mungkinkan jaringan dengan penggunaan oksigen yang terbatas, ataubah menjadi asetil K o A dan dioksidasi di da- memiliki sedikit atau tanpa mitokondria, untuk menghasilkan cukup A T P su-lam siklus asam trikarboksilat ( A T K ) , proses paya dapat memenuhi kebutuhan sendiri. N a m u n , di sebagian besar jaringan,tersebut bersifat aerobik. glikolisis menghasilkan piruvat yang masuk ke dalam mitokondria dan diubah menjadi asetil KoA untuk oksidasi dalam siklus asam trikarboksilat. Asam lemak adalah bahan bakar utama dalam tubuh. Setelah makan makanan tinggi karbohidrat, karbohidrat yang jumlahnya melebihi kebutuhan segera disimpan sebagai unit-unit glukosil dalam glikogen atau diubah men- jadi triasilgiiserol (lemak) untuk simpanan dalam jaringan adiposa. Asam le- mak dari makanan lemak juga disimpan sebagai triasilgiiserol adiposa. Di antara waktu makan, asam lemak dibebaskan dari simpanan jaringan adi- posa, beredar dalam darah sebagai asam lemak-albumin, dan dioksidasi menjadi asetil KoA didalam otot, hati, dan banyak jaringan lain melalui jalur oksidasi-p. Asetil KoA masuk ke dalam siklus asam trikarboksilat dan dioksi- d a s i s e m p u r n a m e n j a d i CO^ d a n HJD. D i h a t i , a s e t i l K o A j u g a d a p a t d i u b a h menjadi badan keton asetoasetat dan p-hidroksibutirat. Badan keton dioksi- dasi di otot dan jaringan lain, dan dapat menjadi bahan bakar utama untuk otak selama puasa jangka panjang. Jalur oksidasi asam lemak dan badan ke-

BAB 18 / BIOENERGETIK S E L 269ton menggunakan NAD' dan FAD untuk mengumpulkan elektron dan fosfori-lasi oksidatif untuk menghasilkan A T P . Semua sel dengan tiada henti-hentinya menggunakan A T P dan memerlu-kan pasokan bahan bakar yang konstan untuk menghasilkan energi untukpembentukan ATP. Tersedianya bahan bakar secara konstan walaupun pa-sokan makanan dan kecepatan penggunaan bahan bakar tersebut berubah-ubah disebut homeostasis metabolik. Homeostasis metabolik disempurnakanoleh hormon yang mengatur jalur penyimpanan dan penggunaan bahanbakar, terutama oleh insulin danhormon yang melawan kerja insulin yaituglukagon, epinefrin, dan kortisol. Glukosa memiliki peran khusus dalam homeostasis metabolik karena otakdan banyak jaringan lain memerlukan glukosa untuk memenuhi semua, atausebagian, kebutuhan energinya. Oleh karena itu, kadar glukosa darah diper-tahankan sekitar 80 mg/dL. Kadar insulin yang tidak adekuat, atau resistensijaringan terhadap efek insulin, menimbulkan hiperglikemia yang khas untukdiabetes melitus.

1 8 Bioenergetik Sel CO, ATP Siklus ATP-ADP mengacu kepada penggunaan energi ikatan kimia ATP yang ti- ada hentinya untuk menjalankan kerja yang diperlukan bagi kehidupan, dan oksi-Pemapasan: Penggunaan energi: dasi bahan bakar yang tiada hentinya untuk memperbaharui ATP tersebut (Gbr. 18.4). Sebagian besar proses yang memerlukan energi di dalam tubuh menggu-Pembentukan energi Biosintesis maicromo- nakan ikatan fosfat berenergi tinggi pada ATP (atau UTP, GTP, atau CTP) untukKarbohidrat leicul menyediakan energi ini. Transpor aktif kerja mekanis, dan reaksi biosintetik se-Lemal( muanya merupakan proses yang memerlukan energi di mana ATP diubah menjadiProtein Kontral(si otot ADP dan P,. Untuk memperbaharui ATP, terjadi reaksi katabolik (reaksi di mana Transpor ion aictif makanan atau bahan bakar dioksidasi) yang menghasilkan energi. Hasil akhir ok- Temiogenesis sidasi bahan bakar adalah CO2, yang kita keluarkan melalui ekspirasi, ATP, dan panas. Sintesis ikatan fosfat berenergi tinggi pada ATP dari oksidasi bahan bakar I memerlukan O2 dan menggunakan 95% dari seluruh O2 yang kita hirup. Keselu- O 2 A D P + P 'i V ruhan proses penggunaan O2 untuk membentuk ATP dari oksidasi bahan bakar menjadi CO2 disebut pernapasan (respirasi) sel.Gbr. 18.4. Siklus ATP-ADP. Istilah bioenergetik mengacu kepada transformasi energi yang berlangsung da- lam reaksi siklus ATP-ADP. Perubahan energi dalam sistem biologis, seperti yang terjadi di bagianjagad raya lainnya, tunduk pada hukum termodinamika pertama dan kedua (Tabel 18.1). Dari prinsip-prinsip termodinamika ini muncul ekspresi jumlah energi yang bermanfaat yang tersedia dari setiap reaksi atau rangkaian reaksi, AG. AG°' perubahan energi bebas pada keadaan standar, dapat digunakan untuk membandingkan jumlah energi yang tersedia dari berbagai jenis bahan bakar. Hal ini juga dapat digunakan untuk menghitung efisiensi pelbagai proses transformasi energi ikatan kimia menjadi ikatanfosfat berenergi tinggi ATP, atau untuk menentukan apakah proses yang memerlukan energi akan berjalan ke arah depan. Tabel 18.1. Ekspresi, Hukum, dan Konstanta Termodinamik AG Perubahan energi l)el)as. atau energi bebas Gibbs AG° Perubahan energi bebas standar. AG pada konsentrasi substrat dan produk sebesar 1 M AG** Pembahan energi bebas standar pada 25''C. pH 7.0 AH Perubahan entalpi, atau kandungan panas Perubahan entropi. atau peningkatan ketidakteraturan K' Konstanta keseimbangan pada 2 5 ' C . pH 7.0. menggabungkan [H^O] = 5,55 M dan [H*] = 1 0 ' M *• dalam konstanta Potensial reduksi E» _p Simbol biokimia untuk ikatan fosfat berenergi tinggi, yaitu, ikatan yang dihidrolisis disertai pelepasan panas lebih dari 7 kkal/mol. Hukum termodinamika Hukum termodinamika pertama, kekekalan energi: Dalam semua pembahan fisika atau kimia, energi total sistem, termasuk di sekitamya. tkJak bembah (konstan). Hukum termodinamika kedua: Jagad raya cendemng menuju ke ketidakteraturan. Dalam semua proses alami, entropi total sistem selalu meningkat. Konstanta Satuan AG dan AH = kal/moi atau J/mol: 1 kal = 4.18 J T. suhu mutlak: K. KeMn = 273 + \" C (25*C = 298 K) R. konstanta gas universal: 1.99 kal/mohK atau 8.31 J/mohK F. konstanta Faraday: F = 96.500 J/V*mol Satuan E ' , volt Rumus AG = A H - T A S AG* = -RTInK'^ AG** = -n F A E ' lnx = 2.303 k)gx270

BAB 18 / B I O E N E R G E T I K S E L 271 Thomas Appleman p u l i h d a r i p n e u m o n i a s t r e p t o k o k u s t a n p a k e s u l i t a n . B M R a d a l a h b e n a r - b e n a r ukur- Selama sakit ia telah kehilangan berat badan 6 Ib (2,7 kg), dankembali ke an siklus A T P - A D P seseorang beratnya semula yaitu 2 6 4 Ib (120 kg). Ini adalah berat badan sewaktu ia dalam keadaan Istirahat. B M Rpertama kali berkunjung ke dokter dengan keluhan sesak napas (lihat Bab 1). Dokter adalah jumlah bahan bakar yang harusmemperkirakan bahwa tingkat metabolik basalnya ( B M R ) adalah 2.880 kkal/hari. dioksidasi, dalam kilokalori, untuk meng-Karena T n . Appleman kurang bergerak, aktivitas fisiknya diperkirakan sebesar 3 0 % hasilkan A T P yang digunakanuntuk men-B M R , dan pengeluaran energi harian 3.744 kkal/hari. Sayangnya, dalam 2 minggu jalankan kerja yang dilakukan oleh jaring-berikutnya, berat badannya kembali pulih.Ia menghitung kandungan kalori makanan- an kita. Peningkatan penggunaan kalorinya dari tabel yang diberikan oleh dokternya, danmemperkirakan bahwa ia makan pada waktu berolahraga merupakan pe-jauh lebih sedikit daripada 3.744 kkal/hari.Karenanya iakembali mengunjungi dok- ningkatan oksidasi bahan bakar untuk me-ter. menuhi peningkatan kebutuhan A T P yang diperlukan untuk kerja mekanis. Dari anamnesis mengenai makanan mengungkapkan ternyata T n . Appleman me-lanjutkan kebiasaan m i n u m wiski Skotch dan soda setiap malam pada waktu nontonT V , tetapi ia tidak menambahkan kalori etanol tersebut ke dalam asupan makananhariannya. Iaberkilah bahwa perhitungan inididasarkan pada keterangan yang ia de-ngar dalam suatu acara radio bahwa kalori dari ingesti alkohol \"tidak dihitung\" karenamerupakan kalori kosong yang tidak menyebabkan penambahan berat badan. Ia jugamenjelaskan kepada dokter bahwa iabenar-benar tidak mempunyai waktu untuk me-mulai program olahraga. Ahot Goyta a d a l a h s e o r a n g p r i a b e r u s i a 2 6 t a h u n y a n g m e n g e l u h t i d a k t a - han panas disertai banyak keringat, jantung berdebar-debar, dan gemetar. Lebih dari 4 bulan terakhir berat badannya turun walaupun nafsu makannyabaik. Iakurang tidur danmenyatakan bahwa iamerasa \"gelisah di dalam.\" Pada pemeriksaan fisik, kecepatan denyut jantungnya adalah cepat (116 kali/menit) dan iatampak gelisah dan resah. Kulitnya teraba hangat dan ia banyak menge-luarkan keringat. Tampak tremor halus pada tangan sewaktu iamerentangkan lengandi depan dada. Kelenjar tiroid tampak membesar secara difus dan pada perabaan beru-kuran 3 kali lebih besar daripada normal. Dokter sangat mencurigai kemungkinanbahwa kelenjar tiroid T n . Goyta mengeluarkan jumlah hormon tiroid yang berlebihandan memerintahkan sederetan pemeriksaan fungsi tiroid. Cora Nari a d a l a h s e o r a n g w a n i t a b e r u s i a 6 4 t a h u n y a n g m e n g a l a m i i n f a r k miokardium 8bulan yang lalu. Walaupun ia berhasil menurunkan berat ba- dan sebesar 6 Ib(2,7 kg) sejak w a k t u itu, iatetap kelebihan berat badan danbelum mengurangi kandungan lemak dalam makanannya secara adekuat. Programolahraga aerobik bertahap yang iamulai 5 minggu setelah infark sekarang diikuti se-cara tidak teratur dan sangat tidak mencukupi intensitas pengkondisian kardiopulmo-ner yang diberikan oleh ahli jantung. Ia kembali dirawat di unit perawatan jantung(CCU) rumah sakit setelah mengalami nyeri \"tekanan\" seperti dicatuk atau diragumyang hebat di daerah dada bagian tengah sewaktu membersihkan salju dari kaca depanmobilnya. Elektrokardiogram ( E K G )memperlihatkan bukti infark miokardium barudi dinding posterior. Terdapat tanda dangejala gagal ventrikel kiri. PENGGUNAAN IKATAN FOSFAT BERENERGI TINGG eADA ATP UNTUK MELAKUKAN K E R J A ^ . ^Energi yang Tersedia dari Ikatan FosfatBerenergi Tinggi pada ATPIkatan antara gugus fosfat ATP disebut sebagai ikatan fosfat berenergi tinggi karenaikatan tersebut cepat terurai dalam hidrolisis dan reaksi lain. Gugus fosfat membawamuatan negatif yang saling tolak-menolak dan menyebabkan ikatan antara gugus fos-fat menjadi \"kaku\"; diperlukan energi agar gugus-gugus fosfat tersebut dapat beradabersama-sama. Apabila ditambahkan air ke ikatan antara gugus fosfat terminal ( P dan

272 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK NH2 NH2 Ikatan fosfat I II Adenin I II C H berenergi tinggi CH J HC^ /\ h/h 0o OH O *: t n * 11 0« II II II M:•o - p o - p - o ~ p ocH2 \"o~p-:oH -O-P-O-P-OCHp 1:1 1I~o : O \" I Hidrolisis 1: O\" o - \"O : O\"\" a > D-Ribosa H\J OH + H+ Adenosin 5-trlfosfat Fosfat Adenosin 5-difosfat ATP PI ADPG b r . 18.5. H i d r o l i s i s A T P . R e a k s i bersifat e k s o t e r m i k d a n m e m i l i k i 7,3 kkal/mol sering digunakan untuk kondisi standar dan intrasel. H i -AG° negatif. N i l a i AG° sangat d i p e n g a r u h i o l e h p H k a r e n a sangat b a - d r o l i s i s A D P m e n j a d i A M P d a n P, m e m i l i k i AG°' y a n g sama. N a m u n ,n y a k o k s i g e n y a n g dapat t e r i o n i s a s i y a n g t e r l i b a t . N i l a i AG° j u g a d i p e - hidrolisis fosfat-a pada A M P untuk membentuk adenosin dan P, mem-ngaruhi oleh konsentrasi Mg^^ karena di dalam selgugus fosfat A T P bebaskan hanya 3,4 kkal, danakibatnya, ikatan fosfat-adenosin tidakpada dua t e r m i n a l ( P d a n y ) b e r i k a t a n dengan Mg^\"^. N i l a i AG°' sebesar - dianggap sebagai ikatan fosfat berenergi tinggi. Reaksi yang melepaskan panas y), A T P mengalami hidrolisis menjadi A D P dan fosfat (Gbr. 18.5). Fosfat yang disebut eksotermik, atau ekser- terbentuk sangat stabil karena terdapat dalam beberapa bentuk resonansi; elektron gonik. Reaksi yang mengkon- pada ikatan rangkap oksigen dipakai bersama-sama oleh semua atom oksigen. Aki-sumsi energi disebut endotermik, atau batnya, produk hidrolisis A T P memiliki energi bebas yang lebih rendah daripadaendergonik. reaktan, dan reaksi iniberjalan ke arah depan disertai pelepasan energi sebagai panas. D i dalam sel, energi yang dihasilkan dari pemutusan ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P disalurkan keproses yang memerlukan energi. PERUBAHAN ENERGI BEBAS, AG,SELAMA SUATU REAKSI• AG adalah perubahan energi be- Jumlah energi dari hidrolisis A T P dan reaksi kimia lain yang tersedia untuk men- bas (energi bebas Gibbs) se- jalankan kerja dikenal sebagai A G , perubahan energi bebas Gibbs pada reaksi. A G su- lama suatu reaksi. atu reaksi bergantung pada perbedaan energi ikatan kimia antara produk dan substrat (entalpi, atau AH), jumlah energi yang tidak tersedia untuk melakukan kerja karena AG = AH -T AS energi tersebut pergi untuk meningkatkan ketidakteraturan sistem (peningkatan en- tropi, atau AS), dan konsentrasi awal substrat dan produk. Nilai A G untuk suatu reaksidi m a n a A H = perubahan entalpi. Pada di mana konsentrasi substrat dan produk merupakan ekuimolar (dan sama dengan 1suhu dantekanan konstan, AH sama de- M ) adalah AG^. D i bawah kondisi suhu, tekanan, dan p H standar yang ditetapkan se-ngan energi ikatan kimia pada produk c a r a b i o k i m i a , A G O a d a l a h AG° ( l i h a t T a b e l 1 8 . 1 ) . D a l a m h i d r o l i s i s A T P , p r o d u kdikurangi energi tersebut pada reaktan. T reaksi bersifat lebih stabil dan memiliki energi ikatan kimia yang lebih rendah dari-adalah suhu sistem dalam Kelvin, dan A S pada reaktan, danperubahan derajat ketidakteraturan selama reaksi mungkin kecil.adalah perubahan entropi, atau peningkat- Akibatnya, AG^' untuk hidrolisis A T P adalah negatif, sekitar -7 kkal/mol sampai -8an derajat ketidakteraturan sistem. A G kkal/mol. Biasanya digunakan nilai -7,3 kkal/mol.mencerminkan jumlah maksimum energiyang berguna yang dapat diperoleh dari H U B U N G A N A N T A R A AG°' D A N K O N S E N T R A S I S U B S T R A T D A Nsuatu reaksi. PRODUK Nilai AG^' untuk hidrolisisA T P yang negatif mengisyaratkan bahwa pada konsentrasi substrat dan produk sebesar 1M , reaksi berjalan k e arah depan, dan A T P mengalami hidrolisis menjadi A D P dan Pj. Konsentrasi substrat akan berkurang dan konsentrasi produk akan meningkat sampai tercapai keseimbangan. Rasio sebenarnya produk ter- hadap substrat pada keadaan seimbang bergantung pada nilai AG^', dan terutama ditentukan oleh perbedaan energi ikatan kimia pada produk dan reaktan. ApabilaAG^' positif, produk memiliki energi lebih besar daripada reaktan, dan reaksi dengan kon-

BAB 18 / BIOENERGETIK S E L 273sentrasi substrat dan produk sebesar 1 M akan berjalan dalam arah berlawanan, d i 1 8 . 1 : B e r a p a k a h AG°' u n t u k s i n -mana terjadi penimbunan substrat dan pengurangan produk. tesis A T P dari A D P dan P.? AG^' bukan merupakan indikator kecepatan reaksi, atau kecepatan di mana kese- 18.2: Misalkan terdapat suatuimbangan dapat dicapai. D i dalam sel, kecepatan reaksi bergantung pada jumlahen- reaksi di mana substrat S diubahzim yang tersedia untuk mengkatalisis reaksi, dan energi pengaktifan reaksi—energi menjadi produk P: S <^ P. Padayang diperlukan untuk mencapai stadium transisi. Kecepatan reaksi tidak berkaitan keadaan seimbang, tidak terjadi fluks nettosecara langsung dengan perbedaan energi antara substrat dan produk. ke kedua arah. Dengan demikian, konsen- trasi substrat dan produk tidak berubahENERGI BEBAS YANG TERSEDIA UNTUK ^ seiring dengan perubahan waktu. H u -MELAKUKAN KERJA DI DALAM SEL bungan antara konsentrasi substrat dan p r o d u k s e r t a AG°' d i b e r i k a n d a l a m r u m u s :AG^' suatu reaksi adalah ukuran jumlah maksimum kerja yang tersedia dari reaksiapabila substrat dan produk terdapat dalam konsentrasi 1M . Namun, keadaan ini t i - AG°' = - R T \nK:^ = - R G l n [ P ] , / [ S ] , ,dak selalu terjadi di dalam seltubuh kita. Apabila suatu reaksi memiliki AG^' negatif, di mana R adalah konstanta gas, T adalahtetapi konsentrasi substrat lebih besar daripada 1 M dan konsentrasi produk kurang s u h u d a l a m d e r a j a t K e l v i n , d a n K'^^ a d a l a hdari 1M , lebih banyak energi tersedia dari proses menuju kekeseimbangan. Semakin konstanta keseimbangan dibawah kondisijauh suatu reaksi dari nilai keseimbangan untuk konsentrasi substrat dan produk, standar. Di bawah kondisi standar, R Tmakin besar jumlah energi yang diperlukan atau dibebaskan sewaktu reaksi bergerak adalah sekitar 0,6 kkal/mol. [P]^ dan [8],^menuju ke keseimbangan. Apabila suatu reaksi terletak lebih dekat ke keseimbangan masing-masing adalah konsentrasi produkdaripada keadaan pada konsentrasi substrat danproduk sebesar 1 M , untuk mencapai dan substrat pada keadaan seimbang.keseimbangan diperlukan atau dibebaskan energi dalam jumlah yang lebih kecil. Aki- Apabila [P]eq/[S],q lebih besar daripada 1 ,batnya, ekspresi untuk perbedaan energi bebas suatu reaksi pada konsentrasi substrat a p a k a h AG°' a k a n p o s i t i f a t a u n e g a t i f ?atau produk berapapun, yaitu A G ,memiliki duaistilah: perubahan energi agar substratdan produk dalam konsentrasi 1 M mencapai keseimbangan (AG^')> dan perubahan 18.3: Di dalam sel otot, [ATP] =energi untuk mencapai konsentrasi substrat danproduk sebesar 1M ( + R T ln[P]/[S]). 8,1 m M ; [ADP] = 0,93 m M ; danSebagai akibatnya, [PJ = 8,1 m M . Anggaplah bahwa u n t u k p e r h i t u n g a n i n i AG° p a d a p H 7 , 4 d a n A G = A G ' ' + R T ln[P]/[S] 37°C a d a l a h - 7 , 7 k k a l / m o l . R = 1,99 kal/mohK. Berapa banyak energi yang ter-di mana [P] dan [S] adalah konsentrasi produk dansubstrat. U n t u k bentuk u m u m per- sedia dari hidrolisis A T P di dalam sel otot?samaan ini,lihatlah Tabel 18.2. Jantung adalah spesialis trans- Walaupun energi bebas yang tersedia didalam sel dari pemutusan ikatan fosfat formasi energi ikatan kimia A T Pberenergi tinggi pada A T P dapat sedikit berubah karena konsentrasi A D P , Pi, dan menjadi kerja mekanis. SetiapA T P yang berbeda, energi bebas biasanya lebih besar daripada -8 kkal/mol di dalam denyutan jantung tunggal menggunakansel manusia yang hidup. Sel menggunakan -8 kkal ini untuk kerja mekanis, kerja sekitar 2 % A T P di dalam jantung. Apabilatranspor, dan untuk reaksi biosintetik yang memerlukan energi. jantung tidak mampu memperbaharui ATP, semua A T P yang dimilikinya akanTransformasi Energi untuk l\/le[akukan Kerja habis terhidrolisisdalam waktu kurang dari 1 menit. Karena jumlah A T P yang diperlu-Penggunaan 8 kkal yang tersedia dari hidrolisis A T P untuk kerja harus melibatkan kan oleh jantung sangat tinggi,jantung ha-mekanisme untuk mengubah bentuk (transformasi) energi ikatan kimia A T P menjadi rus mengandalkan jalurfosforilasi oksidatifpergerakan serat otot atau pembentukan ikatan kimia yang baru. Transformasi inibi- untuk membentuk ATP. Tanpa adanya ok-asanya melibatkan langkah-langkah antara di mana pemutusan ikatan fosfat berenergi sigen, atau pada tekanan oksigen yangtinggi pada A T P sementara A T P terikatan dengan enzim disertai oleh perubahan kon- rendah, jumlah A T P yang dihasilkan tidakformasi enzim. mencukupi. Serangan jantung disebabkan olehTabel 18.2. Ekspresi Umum Untuk AG sumbatan suatu arteri koronaria yang menghambat darah mengantarkan oksi- Untuk generalisasi ekspresi AG, anggap suatu reaksi di mana gen kesel otot jantung kebagian sebelah aA + bB cC + dD distal sumbatan. Selinitidak dapat meng- Huruf kecil menunjukkan a mol A yang bergabung dengan b mol B untuk menghasilkan c mol C dan d mol D. hasilkan A T P dalam jumlah adekuat, dan akibatnya terjadi kematlan sel. AG°' = -RT In K' = -RT In ^^^^ tD^«<^ Cora Nari telah menderita dua kali se- [Ai:, [8]J, rangan jantung dalam 8 bulan danjumlah otot jantung yang fungsional telah berku- dan rang secara bermakna. AG = AG°' + RT In [A]' [B]\"

274 BAGIAN IV / P E M B E N T U K A N ATP DARI BAHAN B A K A R M E T A B O L I K[ • n Pemeriksaan fungsi tiroid A h o t KERJA MEKANIS• ^ 5 1 Goyta memastikan diagnosismi m h i p e r t i r o i d i s m e . P a d a p e n y a k i t Pada kerja mekanis, ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P diubah menjadi per-ini, kelenjar tiroid mengekskresikan hor- gerakan dengan mengubah konformasi suatu protein. Misalnya, pada serat otot yangmon tiroid yaitu T , (tiroksin atau tetraiodoti- berkontraksi, hidrolisis A T P sementara terikat ke ATPase miosin mengubah konfor-r o n i n ) d a n T3 ( t r i i o d o t i r o n i n ) , y a n g masi enzim sehingga enzim tersebut terlepas dan terikat dengan filamen aktin yangmerupakan hormon tiroid utama yang ter- bergerak meluncur (Gbr. 18.6).dapat dalam darah dalam jumlah berlebih-an. Hormon-hormon ini mempercepat me- KERJA TRANSPORtabolisme oksidatif dan meningkatkanBMR melaluimekanisme yang belum dipa- Pada kerja transpor, yang disebut transpor aktif, ikatan fosfat berenergi tinggi padahami sepenuhnya. Salah satu efeknya A T P digunakan untuk memindahkan senyawa melawan gradien konsentrasi. M i -adalah perangsangan penggunaan A T P salnya, Na^,K^-ATPase, menggunakan energi A T P untuk m e m o m p a Na^ keluar sel.oleh Na',K'-ATPase. Peningkatan kece- Energi ikatan kimia A T P diubah menjadi gradien konsentrasi Na^ melalui perubahanpatan penggunaan A T P menyebabkan ak- konformasi Na^,K^-ATPase yang terjadi sewaktu enzim ini melakukan fosforilasi-selerasi metabolisme oksidatif dan ke- diri dengan memutuskan A T P (lihatBab 10). Gerakan masuk Na^ mendorong ambil-cepatan pembentukan panas yang jauh le- an banyak senyawa ke dalam sel pada protein kotranspor. Dengan demikian, Na^ ha-bih banyak. Oleh karena itu, penderita rus dengan tiada hentinya dipindahkan keluar sel. Penggunaan A T P untuk transporhipertiroid mengeluh tiada henti-hentinya Na^ terjadi walaupun kita sedang tidur. Diperkirakanbahwa energi yang dibutuhkanmerasa panas (intoleransi panas) dan untuk transpor aktif merupakan 10% sampai 3 0 % dari B M R kita.berkeringat. (Keringat memungkinkanpengeluaran panas yang berlebihan m e -lalui penguapan (evaporasi) dari permu-kaan kulit). KERJA BIOSINTETIKH 1 8 . 1 : A p a b i l a AG°' u n t u k h i - Ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P juga digunakan untuk kerja biosintetik. T u - drolisis A T P adalah -7,3 buh mensintesis molekul besar, misalnya D N A , glikogen, triasilgliserol, dan protein k k a l / m o l , AG°\" u n t u k r e a k s i s e - dari senyawa yang lebih kecil. Jalur biosintetik ini disebut jalur anabolik. Reaksi dib a l i k n y a , sintesis A T P dari A D P d a n P^, dalam tubuh yang melibatkan pembentukan ikatan peptida (sintesis protein), ikatanadalah +7,3 kkal/mol. Tanda minus — C — C — (sintesis asam lemak), ikatan — C — — (sintesis urea), ikatan — C — O —menunjukkan bahwa energi dibebaskan (pembentukan triasilgliserol), semuanya secara termodinamis tidak menguntungkan.dari pemutusan ikatan fosfat berenergi Proses ini memerlukan energi dari A T P , baik secara langsung maupun tidak langsung.tinggi, d a n tanda positif menunjukkanbahwa energi diperlukan untuk sinte- Proses biosintetik adalah proses yang memerlukan energi karena produk yang di-sisnya. hasilkan memiliki energi ikatan kimia yang lebih tinggi daripada reaktan, dan karena sistem menjadi lebih teratur. Energi untuk jalur anabolik disediakan oleh proses pe- mutusan A T P , baik dalam suatu langkah enzimatik tunggal, atau dalam urutan be- 18.2: Apabila [PleTIS]^ lebihbe- berapa langkah enzimatik di mana terbentuk senyawa aktif laiimya. Pada umumnya, sar daripada 1, log nilai ini akan jumlah energi ikatan fosfat A T P yang digunakan cukup untuk memberi jalur dengan• p o s i t i f , d a n AG°' a k a n n e g a t i f , AG^' keseluruhan yang negatif Glikogen, misalnya, terdiri dari unit-unit glukosily a i t u , n i l a i AG°' y a n g n e g a t i f m e n d o r o n g yang diikat oleh ikatan glikosidat (lihat Gbr. 20.19 dan 20.20). Pembentukan ikatanr e a k s i k e a r a h m a j u . A p a b i l a [P]«/[S],q glikosidat dari glukosa memerlukan energi, yang diberikan oleh pemutusan empatkurang daripada 1, log nilai ini akan nega- ikatan fosfat berenergi tinggi yang berasal dari A T P (satu pada A T P , ikatan fosfattif, d a n AG°' a k a n p o s i t i f . berenergi tinggi yang serupa pada U T P , satu pada pirofosfat (PPi), dan satu pada UDP-glukosa) (Gbr. 18.7).H 18.3: Reaksi untuk hidrolisis Fosforilasi Glukosa oleh ATP ATP adalah: A T P + H , 0 A D P + p.. A G u n t u k r e a k s i t e r s e b u t Sintesis glikogen berawal dari fosforilasi glukosa oleh A T P , yang dikatalisis oleha d a l a h A G = AG° + R T l n [ A D P ] [ P J / [ A T P ] . heksokinase. Reaksi iniadalah contoh penggunaan ikatan fosfat berenergi tinggi padaNilai H^O telah digabungkan k e dalam A T P untuk menjalankan reaksi kimia. Apabila A T P bukan merupakan bagian reaksi,konstanta dan tidak tampak dalam persa- fosforilasi glukosa dari fosfat inorganik akan memiliki AG*^ positif sebesar 3,3 kkal.m a a n . P a d a s u h u t u b u h 37**C (310°K) d e - Pada keadaan keseimbangan, konsentrasi substrat di dalam sel akan jauh lebih besarngan konsentrasi yang dinyatakan dalam daripada konsentrasi produk. Namun, fosforilasi glukosa digabungkan dengan hi-M. [ A D P ] [ P J / [ A T P ] = 0 , 9 3 x 1 0 ' M. d a n A G drolisis A T P oleh heksokinase, yang memindahkan fosfat dari ikatan A T P ke ikatan= -7.7 kkal + (-4.2 kkal) = -12 kkal. Oleh molekul glukosa. Perubahan energi bebas keseluruhan, yang dapat dihitung dari jum-karena itu, ongkos energi sebenarnya un- lah energi yang diperlukan untuk membentuk glukosa 6-fosfat dan yang diberikantuk mensintesis A T Pdi dalam sel otot pada oleh hidrolisis A T P , adalah negatif 4,0 kkal/mol (Tabel 18.3).kondisi iniadalah +12 kkal/mol.

G b r . 1 8 . 6 . ATPase miosin. Serat otot terbuat dari filamen tebal yang terdiri dari berkas-berkas BAB 18 / BIOENERGETIK S E L 275protein miosin, dan filamen tipis yang terdiri dari protein aktin. D i banyak posisi di sepanjangfilamen aktin, ranah terminal molekul miosin, yang diberi nama \"kepala,\" berikatan dengan O / Filamentempat spesifik pada aktin. Kepala miosin memiliki tempat untuk mengikat A T P dan meru- / aktinpakan suatu ATPase; kepala miosin dapat menghidrolisis A T P menjadi A T P dan Pj. SewaktuA T P berikatan dengan miosin, konformasi miosin berubah dan miosin terlepas dari aktin dan Filamenmenghidrolisis A T P . Kemudian miosin mengikat Ca^^, mengalami perubahan konformasi, dan tebalbergabung kembali dengan filamen aktin di posisi baru. Sewaktu A D P dan P, dibebaskan, mio- miosinsin kembali mengalami perubahan konformasi, atau mempererat. Perubahan konformasi ini dibanyak titik gabungan antara aktin dan miosin menyebabkan filamen aktin bergeser ke depan. Disosiasi aktin-miosin ATP -Glukosa Hidrolisis ATP oleh kepala miosinI Transpor glukosa ADP + P:Glukosa Filamen aktin bergeser \" v ADP ke posisi baruGlukosa e-(P^^Glikolisis Glukosa 1-<P) H2O UTP-O UDP-Glukosa Gllkogenn VGIikogen„^, UDPGbr. 18.7. Energetik sintesis glikogen. Jalur anabolik sintesis glikogen melibatkan beberapasenyawa dengan ikatan energi tinggi: A T P , U T P , U D P - g l u k o s a , dan PPi. Senyawa-senyawatersebut d i p e r l i h a t k a n b e r w a r n a abu-abu. 1 . T r a n s p o r g l u k o s a adalah d i f u s i f a s i h t a s i d a n tidakmemerlukan energi. 2, Fosforilasi glukosa, yang dikatalisis oleh heksokinase dan ^lukokinase,m e n g g u n a k a n i k a t a n fosfat b e r e n e r g i tinggi ( ~ P ) pada A T P . 3 . G l u k o s a 6-fosfat dapat m a s u kjalur untuk glikolisis. 4. Pengubahan glukosa 6-fosfat menjadi glukosa 1-fosfat oleh fosfoglu-komutase mencetuskan jalur untuk sintesis glikogen. 5. UDP-Glukosa pirofosforilase memu-tuskan sebuah ikatan ~ P pada U T P , membebaskan pirofosfat. 6. Pirofosfat mengalamihidrolisis, melepaskan energi tambahan. 7.UDP-Glukosajuga memiliki ikatan energi yangtinggi, yang diputuskan pada penambahan sebuah unit glukosil ke ujung rantai polisakaridaglikogen.

276 BAGIAN IV / P E M B E N T U K A N ATP DARI BAHAN B A K A R M E T A B O L I K 18.4: Anggaplah bahwa reaksi Tabel 18.3. AG°' untuk Transfer Sebuah Fosfat dari ATP ke Glukosa heksokinase berada dalam ke- seimbangan di dalam sel otot. Jumlah: Glukosa + P, ^ glukosa 6-P + H,0 AG°' = +3,3 kkal/mol AG\"' = -7,3 kkal/mol AG°' = - R T In/C;^ ATP + H3O -> ADP + P, AG°' = -4,0 kkal/mol = - R T In [Glukosa 6-P][ADP] glukosa + ATP -> glukosa 6-P + ADP [Glukosa][ATP] AG^' yang negatif membantu sel menahan glukosa di dalam sebagai gula terfosfo- rilasi dan mencegah glukosa 6-fosfat diubah kembali menjadi glukosa oleh heksoki- Dengan menggunakan nilai 0,002 nase. Semua sel dapat memindahkan glukosa melintasi membran plasma melaluik k a l / m o l u n t u k R , 298°K u n t u k T , 0 , 0 1 0 M protein transpor, tetapi sel tidak memindahkan glukosa 6-fosfat karena gugus fosfatuntuk ATP. dan0,001 M untuk ADP, hi- bermuatan negatif dan berukuran besar. Dengan demikian, sekali glukosa 6-fosfattunglah rasio glukosa 6-fosfat terhadap terbentuk, glukosa 6-fosfat akan menjalani jalur pembentukan gikogen, glikolisis,glukosa dalam sebuah sel otot. atau jalur lain di dalam sel tersebut. Selama olahraga berat, sewaktu sel otot memper- oleh glukosa 6-fosfat dari simpanan glikogennya sendiri, sedikit kecenderungan glu- kosa 6-fosfat ini diubah kembali menjadi glukosa oleh reaksi ini dan meninggalkan sel. Sifat Aditif Perubahan Energi Bebas di dalam Suatu Jalur Pada langkah berikutnya dalam jalur sintesis glikogen, glukosa 6-fosfat mengalami isomerasi menjadi glukosa 1-fosfat. Ikatan fosfat baru pada glukosa 1-fosfat memiliki energi yang sedikit lebih tinggi daripada ikatan sebelumnya, sehingga AG^' reaksi adalah positif, tetapi kecil (+1,6 kkal). D i dalam jalur metabolik, baik yang bersifat anabolik maupun katabolik, suatu langkah tunggal dengan AG^' positif dapat berjalan ke depan oleh langkah sebelum atau langkah sesudahnya yang nilai AG^' negatif AG^' keseluruhan untuk urutan reaksi diperoleh dengan menambahkan perubahan energi bebas masing-masing reaksi. Akibatnya, AG^'untuk reaksi pengubahan glukosa men- jadi glukosa 1-fosfat adalah (-4,0 kkal) + (+1,6 kkal) = -2,4 kkal/mol. Pembentukan Zat Antara Aktif Untuk mengubah glukosa 1-fosfat menjadi glikogen, terbentuk suatu zat antara jalur yang diaktifkan,yaitu UDP-glukosa (Gbr. 18.8). U T P , G T P , atau G T P biasanya digu- nakan untuk mengaktifkan gula, bukan A T P . Energi ikatan fosfat untuk nukleotida- nukleotida yang berbeda ini pada dasamya identik dengan energi pada A T P . Ikatan fosfat berenergi tinggi pada U T P dibentuk oleh suatu enzim yang memindahkan se- buah fosfat dari A T P ke U D P : ATP + UDP o ADP + UTP 18.4: Apabila reaksi heksoki- Terdapat sejumlah enzim lain di dalam sel yang memindahkan ikatan fosfat berenergi nase mencapai keseimbangan, tinggi antara nukleotida. rasio glukosa 6-fosfat terhadapglukosa adalah sekitar 8.000. Sintesis UDP-glukosa digabungkan dengan pemutusan dua ikatan fosfat berenergiRT = (0,002)(298) = 0,596 tinggi, satu pada U T P dansatu pada pirofosfat. Ikatan glukosil-fosfat pada U D P -In X = 2,303 log x glukosa merupakan ikatan berenergi tinggi yang mengandung sekitar 7,7 kkal/mol.AG°' = - R T I n [ G 6 P ] [ A D P ] Oleh karena itu,hidrolisis ikatan pirofosfat (PPi), yang memberi tambahan -7,3 kkal, memberi dua langkah tersebut AG^' yang negatif Energi yang berasal dari pemutusan [G][ATP] ikatan glukosil-fosfat digunakan untuk membentuk ikatan glikosidat baru pada gliko--4 = -(0,596)(2,303) log [G6P][0,001] gen. [G][0.01] Reversibllitas Langkah Masing-masing3,,0.JG6P](0.1) Banyak jalur metabolik, misalnya sintesis glikogen, berlangsung dalam langkah [G] masing-masing yang memiliki nilai AG^' positif Secara teoretis mungkin dilakukan peningkatan konsentrasi substrat cukup tinggi atau menjaga konsentrasi produk cu-8 x 1 0 ' = [G6P] kup rendah sehingga reaksi tersebut akan berjalan ke arah muka tanpa menghiraukan [G] berapapun besar dan positifiiya nilai AG^'. Semakin tidak menguntungkan perbedaan

BAB 18 / BIOENERGETIK S E L 277 HO\OH :0 .p^r p-o-Uridin H ii I i 'i O' H/04P-0\"\" (r ^ :i UTP OH Glukosa 1-fosfatHOCH O Ii HN CH OO i II CH 0=C^ H/OTP-O-^P-O-CHg H\f J/H Pirofosfat OH HO Uridin difosfat glukosa (UDP-glukosa)G b r . 18.8. Pembentukan UDP-glukosa. Gula yang telah diaktifkan, UDP-glukosa, dibentukdari glukosa 1-fosfat dan U T P oleh enzim UDP-glukosa pirofosforilase. UDP-Glukosa mem-pertahankan ikatan pirofosfat berenergi tinggi. (Uridin adalah urasil yang terikat ke ribosa).energi bebas antara produk dan substrat, maka semakin tinggi rasio konsentrasi sub- • AG°' untuk pengubahan glukosastrat terhadap konsentrasi produk yang harus ditingkatkan oleh sel agar reaksi berja- 6-fosfat menjadi glukosa 1-lan ke muka. Misalnya, isomerisasi reversibel glukosa 6-fosfat menjadi glukosa 1- fosfat adalah +1,65 kkal/mol,fosfat adalah bagian dari sintesis maupun degradasi glikogen. dan rasio glukosa 6-fosfat terhadap glu- Reaksi dengan AG^' negatif menjadi ireversibel pada keadaan fisiologis hanyaapabila produk tidak pernah tertimbun dalam kadar yang cukup tinggi (ireversibel se- kosa 1-fosfat adalah 9 4 banding 6. Apabilacara termodinamis), atau apabila kecepatan enzimatik untuk reaksi sebaliknya sangatlambat (ireversibel secara kinetik). konsentrasi glukosa 6-fosfat meningkat ENERGI UNTUK PEMBENTUKAN ATP dan konsentrasi glukosa 1-fosfat menurunTransformasi Energi pada Pernapasan sedikit, sehingga rasionya menjadi 95Energi untuk pembentukan ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P berasal dari oksi- banding 5, AGmenjadi negatif (-0,1), dandasi bahan bakar oleh proses pemapasan (respirasi). Apabila sepotong kayu dioksi-dasi dengan membakarnya dengan korek api, ikatan karbon-hidrogen di dalam kayu secara termodinamis reaksi cenderung ket e r s e b u t b e r g a b u n g s e c a r a l a n g s u n g d e n g a n O2 u n t u k m e m b e n t u k CO2 d a n H2O d a nenergi dibebaskan sebagai panas. Namun, pemapasan mengubah bentuk (transfor- arah depan. Kapasitas enzim yang meng-masi) sebagian besar energi dalam ikatan — C — H dan C — Cdari bahan bakar men-jadi suatu bentuk yang dapat digunakan untuk sintesis A T P (Gbr. 18.9). katalisis reaks ini, fosfoglukomutase, ada- Di dalam tubuh, energi dari oksidasi bahan bakar dihemat oleh pemindahan elek- lah cukup tinggi sehingga reaksi Ini de-tron dengan hidrogen dari bahan bakar kepada koenzim penerima-elektron, terutamaN A D ' dan F A D . Bahan bakar mendapat oksigen relatif terhadap hidrogen yang di- ngan mudah reversibel di dalam sel dank a n d u n g n y a , t e t a p i o k s i g e n d i t a m b a h k a n d a r i H2O. H a s i l a k h i r o k s i d a s i b a h a n b a k a r ,CO2, t e r u t a m a t e r b e n t u k d a r i o k s i d a s i g u g u s a s e t i l d a r i a s e t i l K o A d a l a m s i k l u s a s a m dapat berpartisipasi dalam kedua jalur un-trikarboksilat (lihat Gbr. 18.1). tuk sintesis glikogen dan degradasi gliko- Koenzim penerima-elektron memberikan elektron dari oksidasi bahan bakar ke-p a d a O2 m e l a l u i r a n t a i t r a n s p o r e l e k t r o n , y a i t u s e r a n g k a i a n p r o t e i n y a n g t e r l e t a k d i b a - gen.gian dalam membran mitokondria. Rantai transpor elektron mengubah bentuk energi Senyawa mengalami oksidasi di dalam sel manusia dalam tiga cara; penggabungan langsung dengan oksigen, transfer elektron sebagai bagian dari atom hidrogen, dan transfer langsung elektron. Pada ketiganya, oksi- dasi adalah hilangnya elektron. Senyawa yang mendapat elektron mengalami re- duksi.

278 BAGIAN IV / P E M B E N T U K A N ATP DARI BAHAN B A K A R M E T A B O L I K Ikatan fosfat berenergi tinggi pada ATP Ikatan kimia Gradien proton bahan bakar transmembran elektrokimia Bahan bakar Jalur oksidatif NAD\" bahan bakar lainnya + H* Matriks mitokondria (R) Gbr. 18.9. Transformasi energi pada metabolisme bahan bakar dalam mitokondria. Berbagai bentuk energi diperlihatkan dalam warna abu-abu. 1. Energi dalam bahan bakar terdapat dalam bentuk ikatan kimia — C — H dan — C — C . 2.Sewaktu bahan bakar mengalami oksidasi dan elektron dipindahkan ke koenzim penerima-elektron, N A D \" dan F A D , kedua koenzim ini tere- duksi. Perubahan energi untuk pemindahan elektron secara kuantitatif dijelaskan oleh potensial r e d u k s i k e d u a n y a . E l e k t r o n d i p i n d a h k a n k e O2 o l e h r a n t a i t r a n s p o r e l e k t r o n . 3 . R a n t a i transpor elektron mengubah bentuk energi dalam potensial reduksi N A D H dan F A D ( 2 H ) menjadi ben- tuk potensial elektrokimia melintasi membran mitokondria bagian dalam, gradien proton trans- membran. 4. Energi dari gradien proton transmembran ini digunakan oleh A T P sintase untuk membentuk ikatan ~P A T P , yaitu bentuk energi ikatan kimia yang bermanfaat secara biologis.OII Nikotinamida y a n g d i p e r o l e h d a r i t r a n s f e r e l e k t r o n d a r i N A D ^ t e r e d u k s i d a n F A D t e r e d u k s i k e p a d a O2 m e n j a d i g r a d i e n p r o t o n t r a n s m e m b r a n e l e k t r o k i m i a m e l i n t a s i m e m b r a n m i t o k o n - dria bagian dalam, Ap (lihat Gbr. 18.9). Gradien elektrokimiainikemudian digunakanHO OH untuk sintesis ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P melalui proses yang dikenal se- bagai fosforilasi oksidatif. Reaksi ini terutama berlangsung didalam mitokondria, yang merupakan mesin dari sel tersebut.I\"C - P - O - C H e / O ^ ^ ^ NAD- Energi untuk Reaksi Oksidasi-Reduksi R=H II KOENZIM PENERIMA-ELEKTRON O N A D ^ danF A D menerima elektron sebagai atom hidrogen ( F A D )atau sebagai ion hidrida (NAD\"^, dan mengalami reduksi dalam reaksi (Gbr. 18.10 dan 18.11). Energi J/H dari ikatan kunia bahan bakar kemudian terdapat dalam bentuk tereduksi pembawa elektron. Sewaktu koenzim yang tereduksi memberikan elektron ini kepada rantaiHO OCRR H NADP^n transpor elektron, koenzim yang tereduksi mengalami reoksidasi. Koenzim mana Rrr-P-O'\" yang digunakan terutama bergantung pada sifat gugus fungsional yang memberikan elektron dan, tentu saja, pada eiizim yang mengkatalisis reaksi tersebut.Gbr. 18.10. Reduksi N A D \"dan NADP\". K o -enzim yang secara sUuktural berkaitan i n i N A D P ^ , yaitu N A D ^ dengan sebuah fosfat ekstra melekat kegugus ribosom padamengalami reduksi dengan cara menerima 2 adenosin, juga dapat menerima elektron dalam reaksi oksidasi-reduksi (lihat Gbr.elektron sebagai ion hidrida. H:\". Pada manu- 18.10). Namun, N A D P H tidak secara langsung memberikan elektron tersebut ke ran-sia, N A D \" disintesis dari vitamin niasin. D i da- tai transpor elektron. Malahan, elektron tersebut biasanya diberikan ke jalur biosin-lam tubuh, niasin diubah menjadi nikotinamida tetik atau detoksifikasi d idalam sel.m e l a l u i p e n a m b a h a n s e b u a h —NH2 u n t u kmembentuk ikatan amida.

BAB 18 / BIOENERGETIK SEL 279Riboflavin NH2 1 8 . 5 : Thomas Appleman m e - miliki kesan yang salah bahwa OI \" I etanol tidak mempunyai kalori. CHg-O-P-O-P-O-HpC Namun, etanol adalah bahan bakar de- ngan status oksidasi sehingga mempunyai II 11 kalori. Bandingkan struktur etanol dengan OO glukosa dan asam lemak (bawah). Ber- dasarkan keadaan oksidasi ketiganya, H\J senyawa mana yang menghasilkan paling banyak energi (kalori) pergram? Senyawa HO mana yang menghasilkan paling banyak ATP per gram? H/H OHGbr. 18.11. R e d u k s i F A D . F A D m e n e r i m a 2 e l e k t r o n sebagai 2 a t o m h i d r o g e n d a n m e n g a l a m ir e d u k s i m e n j a d i F A D ( 2 H ) . F A D d i s i n t e s i s d a r i v i t a m i n riboflavin.Tabel 18.4. Potensial R e d u k s i dari Beberapa Separuh-Reaksi Olcsidasi-ReduksiSeparuh-Reaksi Reduksi1/2 O, + 2H* + 2 e ^ H^O 0.816 HOH2C - (HC - O H ) 4 - C - HSitokrom a-Fe^ + 1 e sitokrom a-Fe** 0.290 GlukosaKoQ + 2H* + 2 e -> KoQH, 0.060Asam dehidioaskorbat + 2H* + 2 e ^ asam askorbat 0.050 CH3CH2OHGlutation oks. + 2H* + 2 e -> 2 glutatk}n red. 0.040 EtanolFumarat + 2H* + 2 e ^ suksinat 0.030Oksaloasetat + 2H* + 2 e -> malat -0.102 PAsetaldehida + 2H + 2 e -> etanol -0.163Piruvat + 2H* + 2 e laktat -0,190Riboflavin + 2hr + 2 e -> riboflavin-H, -0.2001.3-Bisfosfogliserat + 2H* + 2 e ^ gliseraWehkla 3-fosfat -0.320NAD+ + 2H + 2 e ^ NADH + H* -0.320Asetat + 2H* + 2 e -> asetakJehkla -0.468oks. = teroksidasi: red = tereduksiPOTENSIAL REDUKSI CH3-(CH2)i6-C-OH Asam lemakEnergi yang tersedia untuk sintesis ATP dari reaksi oksidasi-reduksi sering dinya- Hubungan langsung antara per-takan sebagai AEo (peibedaan potensial reduksi pasangan oksidasi-reduksi) dan bu- ubahan energi dalam reaksikan AG^. Potensial reduksi, Eo, dari suatu senyawa adalah besar energi (dalam volt) oksidasi-reduksi dan AG\"* dinya-yang dibebaskan sewaktu senyawa tersebut mendapat elektron. Potensial ini dapat di- takan dalam persamaananggap sebagai ekspresi kesediaan senyawa menerima elektron. Beberapa contoh po-tensial reduksi diperlihatkan dalam Tabel 18.4. AG\"* = -n F AE„ Dalam jalur metabolik, elektron umumnya dipindahkan dari senyawa dengan po- di mana n adalah jumlah elektron yang di-tensial reduksi yang rendah ke senyawa dengan potensial reduksi yang tinggi. Oksi- pindahkan dan F adalah konstanta Fara-gen, yang merupakan penerima elektron terbaik, memiliki potensial reduksi terbesar day (23 kkal/volt). AE^ untuk reaksi(yaitu, paling bersedia menerima elektron dan mengalami reduksi). Makin negatif po- oksidasi-reduksi netto dihitung dari poten-tensial reduksi suatu senyawa, makin besar energi yang tersedia sewaktu senyawa ini sial reduksi separuh-reaksi yang diperii-memberikan elektronnya kepada oksigen. Misalnya, potensial reduksi NAD^ lebih hatkan di Tabel 18.1, disusun kembalinegatif (-0,320 volt) daripadariboflavin(-0,200 volt), dan dengan demikian AG^ un- dalam suatu cara untuk menghasilkantuk oksidasi NADH oleh O2 biasanya lebih besar daripada AG^ untuk oksidasi protein reaksi netto yang sesuai. Persamaan iniyang mengandung riboflavin. Nilai untuk NADH adalah sekitar -53 kkal dan untuk dengan sederhana memperiihatkan ba-FAD(2H) adalah sekitar -41 kkal. gaimana mengubah energi bebas yang tersedia dari pemindahan elektron, yang dinyatakan dalam volt, menjadi AG*^.

280 BAGIAN IV / P E M B E N T U K A N ATP DARI BAHAN B A K A R M E T A B O L I K Hormon tiroid memodulasi pro- Pembentukan ATP duksi d a npenggunaan energi sel melalui beberapa langkah FOSFORILASI OKSIDATIFyang melibatkan transformasi energi. Se-bagian dari efek hormon tiroid timbul me- Jalur utama oksidasi bahan bakar adalah glikolisis, oksidasi asam lemak, oksidasi ba-lalui peningkatan transkripsi g e n untuk dan keton, siklus asam sitrat (siklus trikarboksilat),jalur pentosa fosfat, dan jalurenzim/protein yang terlibat. Misalnya, ter- masing-masing untuk oksidasi setiap asam amino. D a l a m semua jalur tersebut, oksi-jadi peningkatan sintesis protein mitokon- dasi bahan bakar terjadi melalui pemberian elektron kepada NAD\"^, N A D P ^ , dandria; jumlah semua enzim dalam siklus F A D . Sintesis A T P dari jalur-jalur ini bergantung pada energi yang dibebaskan olehasam trikarboksilatdan protein pada fosfo- p e m i n d a h a n e l e k t r o n d a r i p e m b a w a y a n g t e r e d u k s i k e O2 d a n p a d a f o s f o r i l a s i o k s i d a -rilasi oksidatif meningkat. H o r m o n tiroid t i f — o l e h k a r e n a i t u s e l u r u h j a l u r t e r s e b u t a d a l a h jalur aerobik ( G b r . 1 8 . 1 2 ) . J a l u r -yang berlebihan juga dapat mempenga- j a l u r i n i m e n g g u n a k a n h a m p i r s e l u r u h O2 y a n g k i t a h i r u p .ruhi efisiensi pembentukan A T P ; A T Pyang dihasilkan lebih sedikit untuk setiapOgyang dikonsumsi. Efisiensi penggunaanA T P j u g a t e r g a n g g u . K a r e n a Ahot Goytamenderita hipertiroidisme, peningkatankadar hormon tiroid menyebabkannyamengoksidasi bahan bakar lebih cepatdaripada normal. P,^ADP Glukosa ADP, P O/ ATP Zat antara-P NADH MIofibril J. 1 8 . 5 : I n g a t l a h LEO GER: Loss Laktat ^<—*^ Piruvat ofElectrons= Oxidation; Gain of lmiimlilll Kreatin-P Electrons = Reduction ( K e h i - ADP-langan elektron = oksidasi; menerimaelektron = reduksi). Senyawa yang tere- Kreatinduksi memiliki lebih banyak hidrogen relatif Oterhadap oksigen daripada senyawa yangteroksidasi, dan pada ikatan C—O, elek- >>i .h miosintron dihitung bersama dengan oksigen. IIIHIIII •^ADP, P;Akibatnya, aldehida lebih tereduksi di-bandingkan dengan asam, dan alkohol le- Mitokondriabih tereduksi dibandingkan dengan keton.Pada asam lemak misalnya palmitat, kar- ADPbon rerata lebih tereduksi daripada padaglukosa atau etanol (lebih banyak karbon o >ATP + UDP - 4 - ^ UTP -^UDP-glukosayang memiliki elektron pada ikatan karbon-hidrogen). Oleh karena itu, asam lemak Glukosa 1-P Imemiliki kandungan .kalori terbesar, 9 kkalper gram. Pada glukosa, karbon telah Glikogenmembentuk ikatan dengan oksigen, danlebih sedikit elektron dalam ikatan C — H G b r . 1 8 . 1 2 . Penggunaan ikatan berenergi tinggi di dalam sel. 1 . Glikolisis mengubah glukosayang tersedia untuk menghasilkan energi.Dengan demikian, oksidasi sempurna glu- menjadi zat antara dengan ikatan fosfat berenergi tinggi, misalnya fosfoenolpiruvat. Ikatan ~ Pkosa menghasilkan sekitar 4 kkal/g. Kar- dipindahkan ke A D P untuk membentuk A T P dalam fosforilasi tingkat substrat. 2 . Energi padabon \"rerata\" pada etanol berada dalam ikatan fosfat berenergi tinggi A T P ( - P ) berasal dari fosforilasi oksidatif 3 . Untuk mengoksi-keadaan teroksidasi yang terletak antara dasi asam lemak, piruvat, dan senyawa lain menjadi CO2, senyawa-senyawa ini diubah menjadiglukosa dan asam lemak, sehingga etanol asetil K o A , yang memiliki ikatan tioester berenergi tinggi. 4 . Ikatan - P dapat dipindahkan darimenghasilkan kalori 7 kkal/g. Efisiensi A T P ke nukleotida lain, misalnya U D P atau AMP, untuk digunakan dalam proses biosintetik. 5.konversi energi dari masing-masing se- Energi pada ikatan - P A T P digunakan untuk mengubah konformasi Na^K\"^-ATPase, yangnyawa ini menjadi fosfat berenergi tinggi mengubah bentuk energi menjadi gradien Na\"\". 6 . Perpindahan relatif filamen miosin dan aktin(~P) pada A T P kira-kira setara. Dengan menggunakan energi ikatan - P ATP. A T P dapat dibentuk langsung di tempat kontraksi daridemikian, A T P yang dihasilkan dari fosfori- energi ikatan - P kreatin fosfat.lasi oksidatif paling tinggi untuk palmitat,tengah-tengah untuk etanol, dan terendahuntuk glukosa.

BAB 18 / B I O E N E R G E T I K S E L 281FOSFORILASI TINGKAT SUBSTRAT O C\" -OPO32-Salah satu cara untuk membentuk ikatan fosfat berenergi tinggi A T Pdari m e - H-C-OHt a b o l i s m e b a h a n b a k a r y a n g a d a — f o s f o r i l a s i t i n g k a t s u b s t r a t (substrate level phos- C'H2OPO32-phorylation). F o s f o r i l a s i t i n g k a t s u b s t r a t a d a l a h p e m b e n t u k a n i k a t a n f o s f a t b e r e n e r g it i n g g i y a n g s e b e l u m n y a t i d a k a d a t a n p a p e n g g u n a a n O2 m o l e k u l a r . M i s a l n y a , p a d a 1,3-Blsfosfogllseratjalur glikolitik antara glukosa danlaktat, A T P dihasilkan dari pemindahan fosfatberenergi tinggi dari zat antara jalur glikolitik ke A D P (lihat Gbr. 18.12). Salah satu Ozat antara pada jalur glikolitik yang mengandung ikatan fosfat berenergi tinggi, fos-foenolpiruvat, memiliki AG^' hidrolisis sebesar -14 kkal (Gbr. 18.13). Suatu enzim IImemindahkan fosfat dari fosfoenolpiruvat k eA D P untuk menghasilkan A T P dalamsuatu reaksi eksotermik. Perubahan glukosa menjadi laktat tidak menghasilkan C\"0-p e m i n d a h a n e l e k t r o n n e t t o k e N A D \" ^ a t a u F A D , d a n s e b a g a i a k i b a t n y a O2 t i d a k d i g u -nakan sebagai penerima elektron. Oleh karena itu, jalur ini disebut glikolisis anaero- CH2bik. Glikolisis anaerobik adalah satu-satunya jalur yang tersedia untuk mengubahenergi bahan bakar menjadi A T P dalam jaringan yang tidak memiliki mitokondria, Fosfoenolpiruvatmisalnya eritrosit (seldarah merah). H•.\ OIKATAN FOSFAT BERENERGI TINGGI LAINNYA IIPemindahan energi dari ikatan fosfat berenergi tinggi pada A T P ke ikatan kimia lain- N-P-0~nya juga berperan dalam penggunaan energi untuk kerja. Salah satu contoh adalah H2N* / Ipenggunaan ikatan fosfat berenergi tinggi pada U T P untuk sintesis glikogen. Contoh =lain adalah pemindahan fosfat berenergi tinggi pada kreatin fosfat keA D P untuk pem- C^ O-bentukan cepat A T P ditempat penggunaan A T P diotot dan otak (lihat Gbr. 18.12). N-CH3 CH2 COO\" Kreatin Fosfat PENGATURAN METABOLISME BAHAN BAKAR OSemua jalur oksidasi bahan bakar diatur secara umpan-balik oleh kadar A T P , atau IIoleh senyawa yang berkaitan dengan konsentrasi A T P . Pada umumnya, makin sedikitA T P yang digunakan, makin sedikit bahan bakar yang dioksidasi untuk menghasilkan CH3-C-SK0AA T P . Dengan demikian, asupan kalori yang melebihi pengeluarannya mengakibatkanpenyimpanan bahan bakar yang berlebihan. Pernyataan sederhana, \"Apabila anda Asetil KoAmakan terlalu banyak dan tidak berolahraga, anda akan menjadi gemuk\" pada dasar-nya merupakan ringkasan dari bioenergetik siklus A T P - A D P . G b r . 1 8 . 1 3 . Beberapa senyawa dengan ikatan berenergi tinggi. 1,3-BisfosfogIiserat dan fos- foenolpiruvat merupakan zat antara pada gli- kolisis yang memiliki ikatan fosfat berenergi tinggi. Kreatin fosfat memindahkan sebuah ikatan - P ke A D P dalam jaringan saraf dan otot. Asetil K o A mengandung ikatan tioester berenergi tinggi. K O M E N T A R KLINIS. Thomas Appleman memiliki kesan bahwa etanol hanya memiliki \"kalori kosong.\" Namun, etanol adalah bahan bakar yang dapat dioksidasi d i dalam tubuh, menghasilkan 7 kalori (kkal) per gram.Ungkapan \"kalori kosong\" digunakan oleh ahli gizi untuk menunjuk ke makananseperti gula pasir, atau sukrosa, karena makanan ini hanya mengandung kalori dantanpa vitamin atau zat gizi esensial lainnya. Iniberarti bahwa makanan tersebut tidakmemiliki nilai gizi selain kandungan kalorinya. Apabila alkohol merupakan kurang dari 15% dari asupan kalori total dalam ma-kanan seorang yang sehat danbukan pecandu alkohol,alkohol tersebut digunakan un-tuk membentuk A T P sama efisiennya seperti jumlah kalori karbohidrat atau lemak se-hingga bukan merupakan \"kalori kosong.\" A h o t Goyta memperlihatkan tanda dan gejala klasik hipertiroidisme, termasuk Pada umumnya, senyawa yanggondok (pembesaran kelenjar tiroid). Pemeriksaan fungsi tiroid memastikan diagno- memiliki energi bebas hidrolisissis ini. yang kira-kira sama atau lebih tinggi daripada energi hidrolisis A T P dise- Hormon tiroid memodulasi pembentukan danpenggunaan energi sel melalui but senyawa \"berenergi tinggi.\" Muatanberbagai efek pada metabolisme zatantara. Banyak dari efek metabolik initimbul aki- yang tolak-menolak dalam substrat danbat kerja pengatur-gen hormon tiroid yang menyebabkan sintesis bermacam-macam stabilisasi produk oleh bentuk resonansiprotein, yang sebagian diantaranya mengkatalisis metabolisme oksidatif karbohidrat, a t a u ionisasi m e m p e r b e s a r AG°' negatiflemak, danprotein. Berkurangnya berat badan yang dialami oleh Ahot Goyta walau- yang besar pada hidrolisis.

282 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK•o Kecepatan penggunaan ATP pun nafsu makannya sangat baik mencerminkan peningkatan kecepatan oksidasi ba- mengontrol kecepatan sintesis- han bakar pada hipertiroidisme. Hasilnya adalah peningkatan oksidasi simpanan bahan bakar dalam jaringan adiposa serta efek katabolik pada otot dan jaringan yang nya. Seiring dengan peningkat- berisi protein lain. Melalui mekanisme yang belum sepenuhnya dipahami, peningkat- an kadar hormon tiroid di dalam darah juga meningkatkan aktivitas atau \"tonus\"an kebutuhan untuk ATP, kecepatan oksi- sistem saraf simpatis (adrenergik). Peningkatan sistem saraf simpatis menyebabkan denyut jantung lebih cepat dan kuat (takikardi dan palpitasi), peningkatan kegelisahandasi bahan bakar meningkat untuk men- (cemas dan insonmia), gemetar (merasa goncang atau gugup), dan gejala lain.jaga kadar ATP di dalam sel konstan. Oleh Cora Nari mengalami gagal jantung ventrikel kiri (GVK) sewaktu datang ke ru- mah sakit dengan serangan jantung kedua dalam 8 bulan. Diagnosis gagal jantungkarena itu, akibat peningkatan pengelu- ventrikel kiri didasarkan pada keterangan sebagai berikut:aran energi harian adalah peningkatan ok- 1. Kecepatan denyut jantung 104 kali/menit. \"Takikardia\" ini terjadi akibat pe- nurunan kapasitas otot ventrikel kiri yang mengalami iskemi sehingga gagalsidasi lemak, karbohidrat, dan protein. untuk memompa darah dalam jumlah normal ke dalam arteri keluar dari jan- tung pada setiap kali kontraksi. Akibatnya adalah penurunan tekanan intra-Pembentukan homnon tiroid yang ber- arteri yang mensinyalkan respons refleks di sistem sarafpusat. Respons refleks ini kemudian menyebabkan peningkatan kecepatan denyut jantung agar jum-lebihan menyebabkan peningkatan proses lah darah total yang meninggalkan ventrikel kiri jantung setiap menit—curah jantung—-kembali ke tingkat yang lebih cocok untuk mempertahankan tekan-metabolik basal yang memerlukan ATP. an darah sistemik.Dahulu, sebelum pemeriksaan untuk meng- 2. Kecepatan pemapasan dalam keadaan istirahat adalah cepat. Melemahnya kerja pompa otot ventrikel kiri yang iskemik tersebut menyebabkan pening-ukur T3 dan T^ diciptakan, peningkatan katan tekanan balik dalam pembuluh-pembuluh yang membawa darah berok- sigen dari paru ke sisi kiri jantung. Akhirnya tekanan di dalam pembuluh pamBMR digunakan sebagai diagnosis perki- ini mencapai tingkat kritis yang apabila dilewati akan menyebabkan air dalam darah berpindah mengikuti penurunan ''gradien tekanan\" dari lumen kapiler keraan hipertiroidisme. Karena A h o t Goyta dalam rongga udara alveolus paru (transudasi), menimbulkan keadaan yang dikenal sebagai gagal jantung kongestif. Secara subjektif, penderita menga-sama sekali tidak mengkompensasi pe- lami sesak napas karena cairan di dalam rongga udara mengganggu pertukaran oksigen dari udara yang dihirup ke dalam darah arteri sehingga terjadi hipok-ningkatan kebutuhan ATP dengan pening- sia. Hipoksia kemudian merangsang pusat pemapasan di sistem sarafpusat se- hingga kecepatan pemapasan lebih cepat sebagai usaha untuk meningkatkankatan asupan kalori, ia berada dalam kea- kandungan oksigen darah.daan keseimbangan nitrogen yang negatifdan kehilangan berat badan.•o Tanpa pasokan oksigen yang adekuat, jantung Cora Nari ma-:J sih mampu mensintesis ATP.Namun, jumlah yang disintesis dari fosfori-lasi tingkat substrat tidak cukup untuk me-menuhi kebutuhan ATP jantung yangtinggi. Secara objektif, dokter akan mendengar bunyi berdeguk (dikenal sebagai ronki basah inspirasi) dengan menaruh stetoskop di atas dasar paru posterior sewaktu pen- derita menarik napas dalam. Bunyi ini menunjukkan pembentukan gelembung se- waktu udara yang dihirup masuk ke dalam rongga udara alveolus paru yang terisi oleh cairan. Terapi gagal jantung kongestif Cora akan meliputi usaha untuk mengurangi beban kerjajantung dengan menggunakan diuretik dan \"penurun beban\" lainnya, usaha un- tuk memperbaiki kekuatan kontraksi ventrikel kiri dengan menggunakan digitalis dan \"inotrop\" lainnya, dan pemberian oksigen melalui kanula hidung untuk mengurangi akibat yang disebabkan oleh kekurangan aliran darah (iskemia) ke jaringan jantung yang viabel dalam keadaan infark. • KOMENTAR BIOKIMIA. Dalam tubuh manusia, jalur utama untuk oksi- dasi etanol terjadi di hati (Gbr. 18.14). Etanol mengalami oksidasi oleh alkohol dehidrogenase menjadi asetaldehida, yang kemudian dioksidasi le- bih lanjut menjadi asetat (lihat Bab 9). Sebagian besar asetat masuk ke dalam darah dan diserap oleh otot rangka, di mana asetat tersebut kemudian diubah menjadi asetil KoA. Asetil KoA masuk ke dalam siklus asam trikarboksilat. Apabila konsumsi etanol rendah (kurang dari 15% kalori dalam makanan), etanol digunakan secara efisien untuk menghasilkan ATP. Pada orang yang mengkonsumsi etanol jumlah besar dalam jangka lama, kan- dungan kalori etanol tidak diubah menjadi ATP secara efektif. Beberapa faktor dapat memperbesar penurunan efisiensi ini. Pada etanol dosis tinggi, 10-30% etanol dioksi-

B A B 18 / B I O E N E R G E T I K S E L 283Gbr. 18.14. Oksidasi etanol menjadi asetat terutama terjadi di hati. Alkohol dehidrogenase ^^Asetaldehida(ADU) m e n g o k s i d a s i e t a n o l m e n j a d i asetaldehida d i d a l a m s i t o s o l . A s e t a l d e h i d a d i o k s i d a s imenjadi asetat terutama oleh asetaldehida dehidrogenase mitokondria. Dihasilkan A T P dari NAD^N A D H melalui fosforilasi oksidatif Sebagian asetaldehida masuk kedalam darah untuk disa- i Etanoljlurkan kejaringan lain. Sebagian asetat dioksidasi dalam siklus asam trikarboksilat ( A T K ) ,tetapi sebagian besar masuk ke dalam darah dandiserap oleh jaringan otot, tempat zat ini di- NADPH Obat dan steroidubah m e n j a d i asetil K o A d a n d i o k s i d a s i secara s e m p u r n a m e n j a d i CO2 d a l a m s i k l u s a s a m t r i - + H^ + 02karboksilat. Kecuali pada kadar etanol yang sangat tinggi, perubahan kandungan kalori etanol Metabolitmenjadi ikatan ~ P A T P berlangsung secara efisien. ER \ ^ Asetaklehkiadasi menjadi asetaldehida oleh sistem yang mengoksidasi etanol mikrosom (microso- NADP^m a l e t h a n o l - o x i d i z i n g system, MEOS) di hati (Gbr. 18.15). Sistem ini menggunakanekivalen tereduksi dalam bentuk NADPH, bukan membentuknya sebagai NADH. + H2ONamun, ATP tetap terbentuk dari oksidasi asetat selanjutnya. G b r . 18.15. P a d a asupan etanol d a l a m j u m l a h Kerusakan mitokondria dan daur-ulang metabolit dari oksidasi bahan bakar ada- sangat besar, sebagian etanol dioksidasi men-lah dua faktor tambahan yang mungkin juga berperan menyebabkan penggunaan jadi asetaldehida oleh sistem yang oksidasikalori etanol menjadi kurang efisien pada asupan etanol yang tinggi. Berlainan de- etanol mikrosom (MEOS) di retikulum endo-ngan mitokondria normal, mitokondria dalam jaringan dari pecandu alkohol yang plasma (RE). Ini adalah salah satu reaksi dikronik mungkin tidak mampu mempertahankan gradien proton transmembran yang mana oksidasi bahan bakar tidak dibarengiperlu untuk kecepatan sintesis ATP yang normal. Akibatnya, semakin besar proporsi d e n g a n p e m b e n t u k a n energi. O2 m e n e r i m aenergi dalam etanol akan diubah menjadi panas. Oksidasi etanol mengganggu jalur elektron dari bahan bakar dan N A D P H , dan di-oksidasi asam lemak dan glukosa yang normal. Pendauran zat antara di antara jalur r e d u k s i m e n j a d i H2O. R e a k s i tersebut m e n g g u -untuk melengkapi proses oksidatif juga dapat menyebabkan oksidasi bahan bakar nakan energi dalam bentuk potensial reduksimenjadi kurang efisien apabila terdapat etanol. NADPH.Bacaan AnjuranMezey E. Metabolic eifects of aicohol. Fed Pioc 1985;44:134-138.SOAL1. Tabel 18.5 memperlihatkan kecepatan metabolik berbagai jaringan di dalam tu- •• o ) Karena Al Martini telah menjadibuh. Untuk setiap jaringan, kecepatan konsumsi oksigen dihitung sebagai konsumsi pecandu alkohoi selama ber-glukosa ekuivalen. Sebenarnya, setiap jaringan mengoksidasi beibagai bahan bakar tahun-tahun, sistem MEOS Aldengan jumlah bervariasi. Secara keseluruhan, konsumsi kalori jaringan ini menentu-kan hampir semua BMR. Jumlah total ATP yang dihasilkan oleh rata-rata orang, yang Martini menjadi terinduksi dan sangat aktif,dihitung darijumlah kebutuhan ATP jaringan ini, memberi nilai hampir mencapai 100Ib (45,36 kg) ATP per hari. Untuk setiq) jaringan yang tercantum, jelaskan mengapa dan asetaldehida yang terdapat di dalamkebutuhan ATP tersebut sangat tinggi. hati dan beredar dalam darah telah mem-2. Seti2qp jaringan d2q)at memiliki nilai AG yang berbeda-beda untuk hidrolisis ATP.TA sel otot, [ATP] = 8,1 mM; [ADP] = 0,93 mM; dan [PJ = 8,1 mM. Di eritrosit, sak jaringan tubuhnya.[ATP] = 2,3 mM; [ADP] = 0,3 mM; dan [PJ = 1,7 mM. Jaringan mana yang memerlu-

284 B A G I A N IV / P E M B E N T U K A N ATP D A R I B A H A N B A K A R M E T A B O L I KTabel 18.5. Konsumsi Oksigen, Konsumsi Glukosaa Ekuivalen', dan Kecepatan Pertukaran ATP oleh Jaringan Manusia Kecepatan Perkiraan Konsumsi Oksigen Ambilan Glukosa Ekuivalen Pertukaran ATP EkuivalenJaringan mol/harr ^mol/g g/hari |.imo!/g mol/hari ^mol/g jaringan/menit jaringan/menit jaringan/menitOtak iiiiiii^B^iiiiJantung 3,4 1.7 103 0.3 20.4 10.2Ginjal 1,9 4.5 57 0.7Hati 2,9 7,1 88 1.1 11,4 27.0Otot rangka (istirahat) 3,6 1.6 0.3 17.4 42,6Otot rangka (lari maraton) 3,3 0,08 108 0,01 21,6Kelenjar payudara menyusui 6,4 98 19.8 9,6 257 1,1 0,5 7710 1542 86'* 38.4Dari Newsholme EA. Leach AR.Biochemistry for the m e d i c a i sciences. New York: John Wiley & Sons. 1983:146.'Ambilan glukosa ekuivalen adalah jumlah glukosa yang diperlukan untuk konsumsi oksigen apabila glukosa merupakan satu-satunya bahan bakar. Pertukaran ATP ekuivalen adalah ATP yang akanterbentuk pada keadaan tersebut. Penjumlahan angka-angka untuk konsumsi oksigen jaringan pada keadaan istirahat menghasilkan konsumsi oksigen total per hari sebesar 14.7 mol atau 329 LKarena 1 L oksigen ekuivalen dengan 21 kJ energi apabila glukosa dioksidasi, hal ini mencerminkan pengeluaran 6.909 kJ energi per hari, yang hanya sedikit di bawah nilai yang diukur untuk subjekmanusia yang tidak banyak beraktivitas fisik. Hal ini mengisyaratkan bahwa jaringan lain tidak banyak mempengaruhi besar kecepatan metabolik. Tidak semua jaringan yang tercantum akan menggu-nakan glukosa; misalnya, pada kondisi makanan yang normal, hati dan otot (dalam keadaan istirahat) akan memperoleh cukup banyak energi dari oksidasi asam amino, dan selama keadaan kela-paran sebagian besar jaringan akan memperoleh energi dari oksidasi asam lemak atau badan keton.\"Dihitung berdasarkan bahwa semua laktosa dan 50% lemak yang disekresikan oleh kelenjar diproduksi dari glukosa. Apabila sebagian energi untuk biosintesis dan sekresi diperoleh dari glukosa, ke-cepatan penggunaan glukosa akan lebih tinggi daripada yang diperlihatkan dalam tabel ini. kan paling banyak energi untuk mensintesis A T P dan mendapat paling banyak energi dari hidrolisis A T P ? 3 . M e n g a p a d o k t e r m e n y a r a n k a n a g a r Thomas Appleman b e r o l a h r a g a u n t u k m e - nurunkan berat badan? JAWABAN 1. U n t u k setiap jaringan, konsumsi oksigen berkaitan dengan j u m l a h A T P yang di- hasilkan, yang berkaitan dengan jumlah A T P yang digunakan. Otak menggunakan A T P dalam j u m l a h besar untuk biosintesis neurotransmiter, regenerasi jaringan saraf, dan mempertahankan gradien Na^ yang diperlukan untuk hantaran (konduksi) impuls saraf. Jantung, tentu saja, secara konstan m e m o m p a dan melakukan kerja mekanis. Ginjal melakukan transpor aktif, menggunakan energi A T P untuk menyerap kembali metabolit yang apabila tidak diserap akan keluar melalui urin. Hati mensintesis gliko- gen, triasilgliserol, protein (misalnya, sebagian besar protein plasma, seperti albumin serum dan protein pembekuan darah), dan senyawa lain. Otot rangka dalam keadaan istirahat menggunakan A T P dalam jumlah yang sangat kecil per gram jaringan. Na- mun, selama melakukan kerja mekanis kontraksi otot menggunakan jauh lebihba- nyak A T P sehingga kecepatan konsumsi oksigen jauh lebih besar. Besarnya kontri- busi otot terhadap B M R disebabkan oleh massa otot yang besar. 2. Sintesis A T P adalah kebalikan hidrolisis.A G untuk sintesis A T P adalah A G = AG^' + R T ln[ATP]/[ADP][Pi], dengan konsentrasi dinyatakan dalam M . [ATP]/ [ A D P ] [ P i ] = 1,07 X 10^ u n t u k sel otot, dan 4,5 x 10^ u n t u k eritrosit. A k i b a t n y a ,In dari nilai ini untuk eritrosit memberi angka positif yang lebih besar, dan lebih banyak ener- gi diperlukan untuk sintesis A T P dalam eritrosit. 3. Peningkatan 5 0 % pengeluaran kalori selama berolahraga mencerminkan pening- katan 5 0 % kecepatan hidrolisis A T P , peningkatan 5 0 % kecepatan pembentukan ATP, dan peningkatan 5 0 % kecepatan oksidasi bahan bakar untuk menghasilkan energi. Peningkatan kecepatan oksidasi bahan bakar menyebabkan kita harus bemapas lebih cepat sewaktu berolahraga untuk meningkatkan ambilan oksigen dan mengeluarkan CO2 y a n g t e r b e n t u k d a l a m j a l u r o k s i d a t i f .