Mahluk hidup memerlukan masukan energi bebas terus menerus untuk tiga tujuan utama, yakni kerja mekanis konstraksi otot dan gerakan sel lainnya , transfor aktif molekul dan ion-ino serta sintesis makromolekul dan biomolekul lainnya. Donor energi bebas untuk sebagian besar proses yang memerlukan energi adalah ATP. Peran ATP sebagai pengemban energi terpusat pada bagian trifosfatnya. Itulah sebabnya ATP adalah molekul kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Jumlah energi yang dilepaskan oleh reaksi penguraian ATP menjadi ADP dan fosfat (Pi) di dalam sel hidup belum dapat diketahui dengan pasti. Penentuan jumlah energi ini dilakukan dengan mengukur perubahan energi bebasnya (DG), yaitu perbedaan antara jumlah energi bebas senyawa hasil reaksi dan jumlah energi bebas senyawa pereaksi. Menentukan DG dapat dilakukan dengan menghitung DG° (perubahan energi bebas baku) dari persamaan reaksi hidrolisis ATP menjadi ADP (adenosin difosfat) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi AMP (adenosin monofosfat) dan pirofosfat (PPi). ATP + H2O =======
ADP + Pi + H+
ATP + H2O =======
AMP + PPi + H+ DG° = -7.3 kkal/mol
DG° = -7.3 kkal/mol
DG° = (G oADP + G0Pi) - (G°ATP + G o H2O), dimana G ° adalah harga tetap energi bebas baku untuk komponen reaksi tersebut. Hubungan antara DG° dan DG pada suhu dan tekanan yang tetap ditunjukkan dengan persamaan [ADP] [Pi] DG = DG° + RT 1n
--------------------[ATP] [HOH]
Pada keadaan keseimbangan reaksi hidrolisis ATP, DG = 0, sehingga persamaan menjadi :
[ADP] [Pi] 0 =AGO + RT1n -----------------,
[ADP] [Pi] atau
[A[ATP] [H2O]
AGO =RT1n
----------------[ATP] [H2O]
Di dalam percobaan yang sebenarnya, penentuan harga termodinamika tersebut
merupakan penentuan menurut pengamatan atau penglihatan, yang koreksinya diperhitungkan terhadap penyimpangan dari keadaan ideal yang disebabkan oleh berbagai faktor, seperti konsentrasi dan kekuatan ion dalam larutan. Dengan demikian bentuk persamaannya menjadi AGO' - RT ln [ADP] [PlJ
atau DG°'= - RT ln K' eq [ATP]
[HOH]
atau DG°' = - 2 303 RT log K'eq, dimana K'eq adalah tetapan keseimbangan reaksi hidrolisis ATP tersebut menurut pengamatan, R = tetapan gas = 1,987 kalori per grammolekul per derajat Kelvin (R = 1,987 kal mol -' K -1), dan T = temperatur dalam derajat Kelvin. Dalam praktek, penentuan K' eq secara langsung sukar dilakukan karena reaksi keseimbangan hidrolisis ATP berlangsung jauh ke kanan sehingga sukar untuk mengetahui titik yang tepat untuk terjadinya keseimbangan dan harga yang pasti dari konsentrasi komponen pereaksi dari hasil reaksinya (ATP, ADP, dan Pi). Oleh karena itu untuk memudahkan penentuan perubahan energi tersebut dipakai
suatu cara dengan melibatkan komponen keseimbangan reaksi dalam dua reaksi yang berurutan yang mempunyai perubahan energi bebas baku lebih kecil, yaitu heksokinase
ATP + glukosa ====
ADP + glukosa 6-fosfat K'eq = 661,
DG°' = - 4,0 kkal mol -1
Glukosa 6-fosfatase Glukosa 6-fosfat + H 2O ====== Glukosa + Fosfat K'eq = 171, DG 2°' = -3,3 kkal mol-1
Jumlah kedua persamaan reaksi ini adalah ATP + H2O ==== ADP + Pi
dan perubahan energi bebas baku hidrolisis ATP, DG°'ATP = DG1°' + DG2°' = - 4,0 + (- 3,3) = - 7,3 kkal mol -i
Cara lain untuk menentukan DG°'ATP adalah dengan menggunakan persamaan reaksi yang berikut.
ATP + glutamat + NH 3 ===== ADP + Pi + glutamin
DG°' dalam reaksi keseimbangan yang dikatalisis oleh glutamin sintetase ini dapat ditentukan karena tetapan keseimbangannya mudah diukur (konsentrasi dari tiap komponen reaksi keseimbangan, ATP, glutamat, NH 3, ADP, Pi, dan glutamin, mudah diukur). DG°' untuk reaksi ini adalah - 3,9 kkal mol -1 , Reaksi ini dapat dianggap terdiri dari dua persamaan reaksi, Yang pertama adalah reaksi eksergonik hidrolisis ATP, dan yang kedua adalah reaksi endergonik pem bentukan glutamin dari glutamat. ATP + H20
==== ADP + Pi
DG°'ATP
glutamat + NH3 ==== Glutamin + H2O DG°' = + 3,4 kkal mol -' Jumlah kedua reaksi di atas adalah ATP + glutamat + NH 3 ==== ADP + Pi + Glutamin DG°' = - 3,9 kkal mol-1 Maka -3,9 kkal mol -1
= DG°'ATP
+
(+3,4 kkal mol-1)
DG°' ATP =
Dengan
cara
pengukuran
dan
- 7,3 kkal mol -1
perhitungan
yang
sama
diketahui
pula
perubahan energi bebas baku dari hidrolisis ADP dan AMP, yaitu
ADP + H2O ==== AMP + Pi
DG°' = -7.3 kkal mol -1
AMP + H2O ==== Adenosin + Pi
DG°' = - 3,4 kkal mol -1
Perlu diketahui bahwa ikatan antara kedua gugus fosfat yang berdekatan pada molekul ATP dan ADP adalah ikatan anhidrid , sedang ikatan antara gugus
fosfat dengan ribosa pada AMP adalah ikatan ester . Pada umumnya hidrolisis ikatan anhidrid mempunyai energi bebas baku negatif yang lebih besar daripada ikatan ester. Ternyata berbagai pengukuran dalam percobaan di laboratorium yang berbeda menghasilkan DG°' ATP yang berbeda pula, yaitu, harga antara -7 dan -8 kkal mol-1. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan faktor yang mempengaruhi pengukuran tersebut, seperti cara analisis, suhu, pH, dan konsentrasi Mg2+ . Namun hal ini tidak merupakan masalah yang berarti dalam peranan ATP sebagai alat angkut energi, karena yang penting bukannya harga mutlak DG°' ATP melainkan harga relatif DG°'dalam hidrolisis senyawa donor gugus fosfat ke ADP dan harga DG°' senyawa penerima fosfat yang terbentuk dari pemindahan gugus fosfat ATP ke berbagai senyawa penerima tersebut (Tabel 6.1).
Tabel 6.1 Energi bekas baku (AG O) hidrolisis berbagai senyawa fosfat berenergi tinggi
Senyawa kimia
A G°'(kkal/mol)
Fosfoenolpiruvat
-14,80
3-Fosfogliseroil fosfat
-11,80
Fosfokreatin
-10,30
Asetil fosfat
-10,10
Fosfoarginin
-7,70
ATP
-7,30 ;
Glukosa-1-fosfat
-5,00
Fruktosa-1-fosfat
-3,80
Glukosa-6-fosfat
-3,30
Gliserol-1-fosfat
-2,20
Berbagai senyawa lain pada sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi. Beberapa diantaranya seperti fosfoenolpiruvat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari pada ATP. Ini berarti bahwa fosfoenolpiruvat dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Hal ini adalah salah satu cara pembentukan ATP pada pemecahan gula. Sangat berarti bahwa ATP mempunyai potensial transfer fosforil yang berada ditengah diantara molekul terfosforilasi lainya.
Dasar struktur kimia dalam hidrolisis senyawa berenergi tinggi. Berbagai faktor struktur kimia menunjang besarnya perubahan energi bebas hidrolisis senyawa (fosfat) berenergi tinggi: (1) Jumlah bentuk resonansi struktur hasil reaksi hidrolisis lebih banyak daripada jumlah bentuk resonansi struktur pereaksi. Dalam hal ini proses hidrolisis mengakibatkan naiknya energi resonansi dan menurunnya energi bebas dari reaksi karena struktur hasil reaksi mempunyai energi bebas yang lebih kecil (lebih mantap) daripada struktur pereaksi. Sebagai contoh, gugus karboksil asetat dan struktur fosfat anorganik (Pi) mempunyai jumlah bentuk resonansi yang lebih besar daripada struktur asetilfosfat, (2) proses hidrolisis mengakibatkan turunnya tolakan elektrostatik yang terjadi dalam struktur molekul. 3) Terjadinya mekanisme tautomerisasi keto-enol pada struktur hasil reaksi, tetapi tidak pada struktur pereaksi, yang merupakan faktor penting yang menunjang besarnya perubahan energi bebas dari hidrolisis suatu senyawa berenergi tinggi seperti fosfoenolpiruvat. 4) Hidrolisis menghasilkan senyawa hasil reaksi dengan tanda muatan yang sama seperti pada hidrolisis ATP pada pH 7,0 menghasilkan ADP dan Pi. 5) Faktor lainnya yang berhubungan dengan perbedaan konfigurasi elektron antara struktur hasil reaksi dan struktur pereaksi adalah adanya sifat hidratasi yang lebih besar pada hasil reaksi dibandingkan dengan pereaksi. Misalnya pada hidrolisis ATP, ADP dan Pi mempunyai sifat berhidratasi lebih besar dari pada ATP sehingga reaksi berlangsung lebih besar lagi ke kanan.
