makalah bioenergetika

MAKALAH BIOENERGETIKA

Kelompok 6

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur dipanjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat karunia-Nya lah makalah ini dapat selesai disusun. Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Bioenergetika dengan topik “Bioenergetika dan ATP”. Dalam penyusunan makalah ini, penulis mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada Ibu Dianursanti sebagai dosen Bionergetika yang telah memberikan bimbingan dalam penulisan makalah ini. Selain itu, penulis juga ingin berterimakasih kepada asisten as isten dosen yang telah memberikan arahan ar ahan dalam tersusunnya makalah ini. Juga kepada orangtua penulis yang telah memberikan dukungan dan cinta tanpa syarat dalam kegiatan perkuliahan penulis. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan makalah ini masih terdapat banyak kekurangan. Untuk itu, saran dan kritik yang membangun diharapkan untuk dapat menjadikan makalah ini menjadi lebih baik lagi. Ahir kata penulis berharap agar makalah ini dapat memberikan pembahasan yang jelas dan komprehensif sesuai dengan tema yang diangkat dalam makalah ini.

Depok, 17 Maret 2012,

Penulis

1


Kelompok 6

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Bioproses adalah cabang ilmu keteknikan yang berkaitan dengan reaksi yang menggunakan bagian hidup atau tidak hidup dari sistem biologis. Dalam bioproses salah satu elemen penting adalah terjadinya perubahan energi akibat reaksi biokimia yang terjadi dalam proses metabolisme. Reaksi yang terjadi dalam sistemm biologis memiliki sifat yang berbeda dengan reaksi yang terjadi secara kimia. Meskipun begitu kedua reaksi tersebut memiliki kajian yang sama dalam konteks perpindahan energi. Perpindahan energi dalam reaksi jenis apapun merupakan pembahasan dari ilmu termodinamika. Ilmu termodinamika mengkaji tentang berbagai aspek dalam perubahan energi ke dalam berbagai bentuk. Didalam ilmu termodinamika, reaksi biologis memiliki pembahasan tersendiri yang dikenal dengan nama bioenergetika. Pembahasan bioenergetika menjadi penting untuk mengetahui apakah suatu reaksi dapat atau tidak dapat terjadi. Selain itu pemahaman tentang bioenergetika akan memberitahu tentang kemungkinan mekanisme dan produk dari suatu reaksi biokimia. Jadi, pemahaman tentang bioenergetika merupakan keahlian yang penting dalam cabang ilmu bioproses. Dalam sistem biologis, energi berpindah dalam bentuk energi potensial ikatan. Energi potensial ikatan yang umum dalam bentuk ikatan fosfoanhidrida. fosfoanhidrida. Ikatan fosfoanhidrida fosfoanhidrida dikenal memiliki potensi energi yang tinggi dan juga ikatan yang mudah lepas. Ikatan fosfoanhidrida yang paling sering ditemukan terdapat dalam ATP. ATP adalah molekul pembawa energi, dimana perpindahan energi dalam sistem bioproses terjadi dalam bentuk reaksi. Reaksi yang menghasilkan energi atau eksergonik menghasilkan energinya dalam bentuk ATP sementara reaksi yang membutuhkan membutuhkan energi atau endergonik memenuhi kebutuhannya dari ATP. Maka dari itu ATP dikenal sebagai satuan transfer energi dalam sistem biologis. Pemahaman mengenai ATP menjadi substansial untuk mengerti ilmu bioenergetika. Maka dari itu makalah ini berusaha memberikan pemahaman terhadap cabang ilmu bioenergetika terutama t erutama dalam da lam aspek ATP sebagai media transfer t ransfer energi dan juga keterkaitan keter kaitan prinsip termodinamika didalam sistem sistem bioproses.

2


Kelompok 6

1.2 Rumusan Masalah

Bidang Ilmu keteknikan terutama teknologi bioproses membutuhkan pemahaman yang komprehensif terhadap termodinamika untuk mengetahui sifat-sifat reaksi. Termodinamika dalam sistem bioproses berbeda dari termodinamika umum dalam konteks sistem reaksi dan bentuk energi. Maka dari itu, pokok pembahasan makalah ini mencakup 2 masalah pokok yaitu : A. Prinsip-prinsip dasar termodinamika dan terapannya dalam sistem biologis B. ATP sebagai bentuk energi dalam perpindahan energi dalam kajian termodinamika di sistem biologis.

1.3 Tujuan Penulisan

Karya tulis ini ditulis dengan tujuan : A. Menjelaskan tentang prinsip-prinsip dasar termodinamika B. Memberi pemahaman terhadap termodinamika dalam sistem biologis C. Menjelaskan peran ATP dalam sistem biologis dengan menjembatani sistem endergonik dan eksergonik

3


Kelompok 6

BAB II Pembahasan

1. Menurut pendapat anda, mengapa makhluk hidup memerlukan energi? Jawaban :

Setiap sistem fisik yang terdapat di sekitar k ita secara tidak langsung menyimpan sejumlah energi. Energi yang terdapat di alam memiliki bentuk yang berbeda-beda. Sat u bentuk energi dapat berubah menjadi bentuk energi yang lain. Studi mengenai transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya dalam sistem biologis disebut sebagai biological thermodynamics, atau yang biasa disebut juga sebagai bioenergetika. Konsep energi awalnya didefinisikan sebagai sebuah kerja yang merupakan hasil dari gaya dan perpindahan (Smith, 2001:10). Pada dasarnya, setiap makhluk hidup memerlukan energi untuk bertahan hidup. Energi yang diperlukan dapat diperoleh dari lingkungan hidupnya. Perolehan energi pada makhluk hidup dapat terpenuhi dari makanan yang dikonsumsinya. Pada sistem biologis, ada makhluk hidup yang dapat menciptakan makanannya sendiri (autot rof) dan ada pula makhluk hidup yang tidak dapat menciptakan makanannya sendiri (heterotrof). Kedua mekanisme perolehan makanan tersebut kemudian dapat digolongkan menjadi proses eksergonik dan endergonik, tergantung pada perpindahan energi yang terjadi pada sistem tersebut. Baru kemudian energi tersebut diolah. Energi yang telah diolah selanjutnya digunakan oleh makhluk hidup untuk berakt ivitas masing-masing, baik yang tampak dari luar seperti berlari at au melompat, maupun yang tidak tampak seperti metabolisme dan peredaran darah. Dengan demikian, dalam set iap aktivitas yang dilakukan oleh makhluk hidup tersebut akan memerlukan energi se bagai „bahan bakar‟ untuk beraktivitas. Bahkan tidur pun memerlukan energi. 2.

Bioenergetika diterjemahkan sebagai suatu bidang studi tentang perubahan

energi yang menyertai reaksi biokimia dalam sel. Dalam tinjauan tersebutdapatkah anda menjelaskan pengertian sistem dan lingkungan, serta hal hal lain yang berkaitan dengannya? Jawaban :

Dalam pembahasan termodinamika 2 konsep yang patut dipahami adalah tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda- benda yang sedang ditinjau disebut sistem. Di lain

4


Kelompok 6

pihak semua yang berada di sekeliling atau diliau sistem disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika didasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor, dan entropi antara sistem dan lingkungan. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan yaitu, a. Sistem terisolasi Suatu sistem dimana tidak memungkinkan terjadinya pertukaran panas, materi, atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah tabung gas terisolas i. b. Sistem Tertutup Suatu sistem dimana dapat terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran materi pada lingkungan. Contoh dari sistem jenis ini adalah rumah hijau dimana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Dalam suatu sistem apakah terjadi pertukaran kerja, panas, atau keduanya dapat ditentukan sebagai sifat pembatasnya. Pada pembatas adiabatik tidak memperbolehkan pertukaran gas, dan pada pembatas rigid tidak memperbolehkan pertukaran kerja. c. Sistem Terbuka Suatu sistem dimana terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan materi dengan lingkungannya. Sebuah pembatas yang memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Contoh sistem ini ialah samudra.

Gambar1. Sistem Terisolasi, Tertutup, dan Terbuka (Sumber: http://wahyuancol.wordpress.com/2008/06/11/konsep-sistem-bumi/)

Bioenergetika adalah suatu bidang studi tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia dalam sel. Marilah kita ambil contoh peristiwa pemberian fosfat senyawa ATP pada sistem biologis sehingga memungkinkan terjadinya reaksi. ATP (adenin trifosfat ) memiliki basa nitrogen adenin yang berikatan dengan ribosa. Terdapat tigagugus fosfat yang

5


Kelompok 6

berikatan dengan ribosanya. Ikatan antara gugus- gugus fosfat pda aekor ATP dapat diputuskan melalui hidrolisis. Ketika ikatan fosfat diputuskan, suatu molekul fosfat anorganik meninggalkan ATP, yang kemudian menjadi adenosin difosfat atau ADP. Sistem adalah kumpulan benda benda yang sedang ditinjau pada peristiwa dimana dalam hal ini berarti terdiri dari gusus ATP yang terdiri adenin, ribosa, dan 3 gugus fosfat. Di lain pihak semua yang berada di sekeliling atau diluar sistem tersebut disebut lingkungannya. Pada peristiwa ini terjadi pertukaran energi dari materi dari sistem ke lingkungannya.

3. Adakah perbedaan penggunaan energi untuk sistem biologis dan nonbiologis? Jawaban :

Ada. Dalam kaitannya dengan energi dalam sistem biologis, sistem biologis merupakan sistem yang berada di dalam makhluk hidup. Dengan kata lain, sistem tersebut memiliki unsur makhluk hidup sebagai boundary system-nya. Sedangkan dalam sistem nonbiologis, unsur yang bukan makhluk hiduplah yang menjadi boundary system-nya. Energi yang dibutuhkan oleh makhluk hidup terbentuk dalam tubuh makhluk hidup itu sendiri dengan mengonversi energi yang ada dari lingkungannya. Dengan kata lain, makanan yang dikonsumsi oleh makhluk hidup tidak dapat begitu saja diambil energinya, melainkan harus diolah terlebih dahulu baru kemudian dapat diambil energinya. Namun, energi yang telah terkonversi masuk dalam sistem biologis tidak dapat dengan begitu saja terdistribusi dalam tubuh makhluk hidup tersebut. Perlu adanya media yang dapat mentransportasikan energi dalam sistem biologis tersebut, salah satunya adalah ATP ( Adenosin Triphosphate). Dengan media ATP, energi dalam sistem biologis makhluk hidup dapat bergerak bebas di seluruh bagian tubuh, serta keluar dari dalam tubuh atau masuk ke dalam tubuh makhluk hidup tersebut. Energi yang terdapat pada sistem biologis akan selalu terkonversi dan tidak akan pernah berhenti terkonversi keluar-masuk sistem selama makhluk hidup itu terus memerlukan dan menghasilkan energi selama masa hidupnya. Inilah yang membedakan energi pada sistem biologis dengan energi pada sistem nonbiologis. Sedangkan pada sistem nonbiologis, energi yang keluar-masuk pada sistem juga akan terkonversi menjadi bentuk energi yang lain. Hanya saja konversi energi yang terjadi, suatu saat akan berhenti ketika komposisi energi di dalam dan di luar sistem telah mencapai kesetimbangan sehingga tidak ada lagi perpindahan energi dari dalam maupun dari luar sistem nonbiologis tersebut. Ketika hal tersebut terjadi, maka benda tersebut dikatakan mencapai kesetimbangan energinya.

6


Kelompok 6

4. Dalam bioenergetika ini dikenal kaidah termodinamika dalam sistem biologis, yaitu hukum pertama dan hukum kedua termodinamika. Apa yang anda ketahui tentang kedua hukum tersebut? Jawaban :

Termodinamika merupakan studi yang mempelajari transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Terkait dengan hal tersebut, ada beberapa hal yang menjadi dasar transformasi bentuk energi. Hal-hal ini kemudian dijadikan hukum oleh para ahli. Hukumhukum termodinamika antara lain:

1. Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika berbunyi, “ Although energy assumes many forms, the total quantity of energy is constant, and when energy disappears in one form it appears simultaneously in other forms”(Smith, 2001:21). Dengan kata lain, energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Energi hanya akan dapat berubah bentuk, namun jumlahnya di dalam alam ini adalah tetap. Biasanya kalimat pernyataan hukum I termodinamika sering juga disebut sebagai hukum kekekalan energi atau hukum konservasi energi. Energi pada aplikasi hukum I termodinamika meliputi energi yang terdapat pada sistem dan energi yang terdapat pada lingkungan. Kedua aspek lingkup energi pada hukum I termodinamika ini kemudian dapat terjabarkan dalam persamaan:

  +    = 0

... (8)

Tanda Δ pada persamaan (8) merupakan tanda yang mewakili selisih nilai dari harga karakteristik yang dikhususkan pada masing-masing bentuk energi. Misalnya, energi pada sistem, tanda Δ akan meliputi jumlah dari seluruh perubahan energi kinetik yang terdapat pada sistem ketika sistem itu bergerak pada perubahan kecepatan tertentu. Demikian pula, tanda Δ akan meliputi jumlah dari seluruh perubahan energi potensial yang terdapat pada sistem ketika sistem itu berada pada perbedaan ketinggian tertentu. Bahkan, hal yang sama pun akan terjadi apabila kedua bentuk energi tersebut dapat ditemukan dalam sistem tersebut.

2. Hukum II Termodinamika

7


Kelompok 6

Pernyataan hukum II termodinamika merupakan observasi lebih lanjut terhadap proses yang terjadi dalam hukum I termodinamika. Hukum II termodinamika dapat diekspresikan dalam dua pernyataan berikut: 

Statement I : tidak ada instrumentasi yang mampu bekerja sedemikian rupa hanya untuk mengubah panas yang terserap oleh sistem seluruhnya menjadi kerja yang dilakukan oleh sistem.



Statement II : tidak ada proses yang mungkin terjadi hanya terdiri dari perpindahan panas dari level temperatur yang satu menuju level yang lebih tinggi. Pada Statement I , tidak disebutkan bahwa panas tidak dapat dirubah menjadi kerja,

namun proses yang terjadi tidak dapat meninggalkan sistem atau lingkungan begitu saja, keduanya harus diperhatikan. Sebagai contoh, ketika sebuah gas menyerap panas dari lingkungannya, akan menghasilkan kerja yang sama nilainya dengan dikerjakannya pada lingkungan. Pada awalnya mungkin agak berkontradiksi dengan Statement I , namun ingat bahwa proses yang terjadi tidak hanya meliputi sistem, tapi juga lingkungan. Dengan demikian, ketika gas akan kembali ke kondisinya semula, ia akan memerlukan kerja yang digunakannya untuk rekompresi kembali ke tekanan awalnya. Kerja ini memiliki nilai minimal yang sama ketika gas mengalami ekspansi akibat panas yang diserapnya dari lingkungan. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa tidak ada kerja yang dihasilkan sehingga Statement I dapat dimodifikasi menjadi: Statement Ia: it is impossible by cyclic prosess to convert the heat absorbed by a system completely into work done by the system (Smith, 2001:156). Kata siklik diperlukan karena sistem secara periodik akan kembali pada kondisinya semula. Pada kasus gas tadi, proses ekspansi dan rekompresi menuju kondisi awalnya merupakan satu kesatuan siklus. Jika proses ini berlanjut, maka proses ini akan membentuk siklus. Secara garis besar, hukum II termodinamika bukanlah menentang produksi dari kerja yang diperoleh dari panas. Namun, memberikan batasan yang jelas akan berapa banyaknya panas yang diterima oleh sistem yang kemudian dapat dikonversikan menjadi kerja yang dilakukan oleh proses tersebut.

5.

Apa yang and ketahui tentang besaran-besaran termodinamika baik besaran dasar maupun

besaran

turunan?

Dan

bagaimana

pula

penurunan-penurunan

8


Kelompok 6

persamaannya? Berikan salah satu contoh perhitungan berkaitan dengan besaranbesaran tersebut. Jawaban: A. Besaran Dasar

Besaran dasar merupakan besaran-besaran yang menjadi landasan untuk penurunan besaran-besaran selanjutnya, Dalam termodinamika besaran-besaran dasar tersebut terdiri dari: a. Tekanan (P) Tekanan merupakan gaya yang tegak lurus yang menekan permukaan sebuah, definisi matematisnya adalah:

 =  

(1)

Dalam termodinamika tekanan umumnya dinyatakan dalam nilai absolute (P abs), tekanan absolute ini bergantung pada pengukuran sistem yaitu: ketika tekanan pengukuran (P gauge) > tekanan atmosfer (Patm) maka: Pabs = Pgauge + Patm

(2)

sedangkan ketika P gauge < Patm maka: Pabs = Patm - Pgauge

(3)



b. Volume dan Densitas (V dan ) Densitas suatu sistem didefinisikan sebagai massa per satuan volume:

 =  = 

(4)

Dimana Vg adalah volume jenis (volume per satuan massa), dan m adalah massa. c. Suhu (T) Skala temperatur digunakan sebagai indikator keseimbangan panas yang dinyatakan dalam satuan derajat Kelvin.

d. Energi Dalam (U) Energi dalam adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem tanpa dipengaruhi oleh pergerakan dari sistem tersebut, Energi dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom atau molekul. ∆U = ∆Ek + ∆Ep

(5)

9


Dimana energi kinetik itu sendiri ada karena kecepatan (Ek =

1 2

Kelompok 6

mv2), dan energi potensial

ada karena adanya perbedaan ketinggian (Ep = mgh). Berdasarkan hukum termodinamika pertama, total energi akan selalu konstan, jadi ketika energi dalam sistem menghilang, maka secara bersamaan akan terbentuk energi dalam bentuk lain pada lingkungannya: (6)

∆(energi sistem) + ∆(energi lingkungan) = 0

Perpindahan energi yang terjadi umumnya dapat berupa panas dan kerja (Q dan W) dimana Q dan W akan bertanda positif ketika sistem menyerap kalor dan melakukan kerja. Jadi perubahan energi dalam akan bernilai 0 jika jumlah kalor yang masuk sama besar dengan jumlah kerja yang dilakukan, dan jika kalor yang dikeluarkan sama besar dengan kerja yang dikenakan pada sistem. : ∆(energi lingkungan) = ± Q ± W

(7)

Sehingga dari persamaan (1)-(3) diperoleh: (8)

∆U + ∆Ek + ∆Ep = ± Q ± W

e. Entalpi (H) Entalpi merupakan besaran yang digunakan untuk mendefinisikan jumlah energi dalam dari suatu sistem ditambah dengan energi yang dibutuhkan untuk melakukan suatu kerja (9)

H = U + (PV)

Di mana H adalah entalpi, U adalah energi dalam, P adalah tekanan, dan V adalah volume. Karena U dan PV memiliki satuan energi, maka dengan demikian H juga memiliki satuan energi. Lebih lanjut, U, P, dan V merupakan fungsi keadaan, sehingga bentuk difrensial persamaan 5 adalah: (10)

dH = dU + d(PV)

sehingga bentuk integralnya adalah: ∆H = ∆U + ∆(PV)

(11)

f. Entropi (S) Entropi

adalah

ukuran

ketidakteraturan

dalam

suatu

sistem,

semakin

tinggi

ketidakteraturan suatu sistem semakin tinggi pula nilai entropinya. Maka, dalam benda padat yang molekulnya tersusun dengan sangat teratur akan memiliki entropi yang lebih kecil dibandingkan dengan benda dalam fasa gas yang molekul-molekulnya bergerak lebih bebas. Perubahan entropi suatu sistem disebabkan oleh perubahan kandungan panasnya, dimana:

(12)

10


Kelompok 6

∆ = ∆ ∆ Ketika ∆ = ∆ + ∆ >  maka reaksi akan berlangsung secara spontan. Proses ini berlangsung hingga mencapai proses kesetimbangan yaitu ketika

∆ = ∆ + ∆ =  g. Energi Gibbs (G) Energi bebas gibbs digunakan untuk menggambarkan perubahan energi total dari suatu sistem, berdasarkan persamaan (11) diperolehlah:

∆G = ∆U + ∆PV – ∆TS ∆ = ∆ −∆ ∆ = −∆

(pada suhu tetap) (pada tekanan tetap)

(13) (14) (15)

Ketika ∆G < 0 maka reaksi akan berlangsung secara spontan (reaksi eksergonik) hingga mencapai kesetimbangan ketika ∆G = 0, sedangkan ketika ∆G > 0 maka reaksi akan berlangsung secara spontan ke arah berlawanan (reaksi endergonik). Pada proses spontan energi gibbs dapat didefinisikan sebagai kerja maksimum yang dapat diperoleh dari sistem saat terjadi perubahan, sedangkan pada proses nonspontan energi gibbs dapat didefinisikan sebagai kerja minimum yang harus dilakukan terhadap sistem agar dapat terjadi perubahan. Karena energi gibbs merupakan fungsi keadaan maka energi gibbs juga dapat dihitung melalui energi bebas produk dan reaktan:

 = ∑∆  ∆ −∑∆  (

)

(

)

(16)

h. Helmholtz Function (F) Helmholtz function, biasa juga disebut energi bebas Helmholtz. Energi bebas Helmholtz adalah kerja maksimum yang dapat diperoleh dari proses termodinamika dalam suhu dan volume yang konstan. Energi ini dirumuskan sebagai: F = U – TS

(17)

Suku TS disini menandakan adanya energi yang tidak dapatdigunakan atau unavailable energy

11


Kelompok 6

B. Besaran Turunan

Besaran turunan dapat kita ketahui melalui dasar, atau dengan kata lain besaran ini merupakan turunan dari besaran-besaran dasar. a. Energi dan Kerja Energi diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja, ketika pemindahan energi dilakukan dengan cara gerak mekanik maka disebut kerja. Jumlah kerja mekanik yang dilakukan dapat ditentukan melalui persamaan turunan Newtonian: W = F.s

Atau sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volume: W= P. dV

(18) (19)

b. Kalor Perpindahan energi karena adanya perbedaan suhu berhubungan dengan aliran panas. Setiap sistem memiliki kapasitas terhadap panas, semakin kecil perubahan temperature yang terjadi akibat dari perpindahan panas,berarti sistem tersebut memiliki kapasitas panas yang besar. Kapasitas panas di definisikan secara matematis melalui:

 = 

(20)

Kapasitas panas dapat diukur dalam 2 kondisi yaitu dalam volume yang tetap disebut isokhorik atau dalam tekanan konstan disebut isobarik. Dalam keadaan isokhorik kapasitas panas didefinisikan sebagai C v: dU = CvdT

(21)

∆ =  

(22)

ketika diintegralkan menghasilkan:

Dan ketika proses perpindahan panas bersifat reversible persamaannya menjadi:

 =  ∆ =   

(23)

Sedangkan dalam keadaan isobarik kapasitas panas didefinisikan sebagai C p: dH = CpdT

ketika diintegralkan menghasilkan:

 ∆ =   

12


Kelompok 6

Dan ketika proses perpindahan panas bersifat reversible persamaannya menjadi:

 =  ∆ =    

(25)

Cara mudah untuk meringkas persamaan- persamaan diatas adalah dengan “jembatan keledai” dari besaran-besaran termodinamika: Dimana G adalah energi gibbs, U adalah energi dalam, V F adalah Helmholtz function , H adalah entalpi, S Besaran-besaran

yang

berada

di

adalah volume, P adalah tekanan,

adalah entropi, dan T adalah suhu.

pojok-pojok

(G,

H,

U,

dan F) dapat

kita

tentukan turunannya, contohnya Energi gibbs ( G) yang ada di pojok kiri atas. G berada diantara P dan T, kemudian lihat tanda panahnya. Pada P tanda panahnya masuk, berarti tandanya positif, sedangkan pada T tanda panahnya keluar, berarti negatif. Sehingga dapat kita tuliskan : dG = VdP – SdTDari keempat persamaan di atas masing-masing persamaan akan menghasilkan hubungan yang lain, misalnya, untuk energi dalam, U apabila pada volume konstan akan menghasilkan menghasilkan

6.

  = −

  = , sedangkan pada entropi yang tetap akan

Apa yang anda ketahui tentang reaksi yang berlangsung spontan?

Bilamana itu terjadi? Jawaban :

Pada termodinamika terdapat dua jenis yang dapat terjadi yaitu reaksi spontan dan reaksi non spontan. Reaksi spontan adalah suatu reaksi yang terjadi tanpa perlu bantuan dari luar sistem dan berlangsung sampai terjadi keadaan setimbang. Pada reaksi non spontan reaksi hanya terjadi apabila ada masukan energi dari luar sistem.

Seperti

yang

telah

dipaparkan sebelumnya reaksi spontan adalah reaksi yang terjadi tanpa perlu bantuan dari luar sistem. Proses reaksi spontan berjalan dengan berinteraksinya antar zat dengan menghilangkan rintangan. Sistem bertukar energi serta zat, dan volume kedua sistem bisa berubah. Pada reaksi ini pula arah spontanitas untuk setiap proses jelas dari pengamatan awal

13


Kelompok 6

dan akhir tanpa melihat lintasannya. Pada reaksi spontan penyebab gas dapat bereaksi spontan adalah derajat keteraturan. Maka dikenallah istilah entropi (S). Entropi adalah sifat keadaan suatu sistem yang menyatakan tingkat ketakteraturan. Hal ini berkaitan dengan jumlah keadaan mikro yang tersedia bagi molekul sistem tersebut. Entropi bertambah bila suatu zat mencair atau menguap dan sebaliknya. Penafsiran Boltzmann secara molekuler bila zat padat mencair atau menguap, sistem tersebut akan semakin tidak teratur (jumlah keadaan mikro yang bisa diakses bertambah) dan entropi akan naik Proses suatu reaksi didapatkan persaaman reaksi sebagai berikut, A (g) + B (g) (A+B) (g)

(1)

Jika SA(g) adalah entropi gas A, S B (g) addalah entropi gas B, dan S campuran adalah entropi campuran A dan B, maka:

∆ =  − [  () +  ()] Apabila dihasilkan nilai

∆ yang positif maka reaksi

spontan. Ada empat proses yang dapat menyebabkan nilai

(2)

yang terjadi adalah reaksi

∆ > 0 yang nantinya akan

menghasilkan nilai positif yaitu, o

Padatan menjadi cairan atau larutan

o

Cairan menjadi gas

o

Jumlah melokul gas dalam suatu reaksi kimia meningkat

o

Suhu zat bertambah

Selain nilai entropi yang dapat menentukan apakah reaksi tersebut bersifat spontan atau tidak ialah perubahan energi bebas (

∆). Energi bebas ditemukan oleh J. Willard Gibbs

dengan mendefinisikan energi bebas suatu sistem tanpa memperhatikan lingkungannya. Energi bebas adalah bagian dari energi suatu sistem yang dapat melakukan kerja ketika suhu dan tekana seragam di seluruh sistem, sepert i halnya dalam sel makhluk hidup. Perubahan energi bebas, berikut,

∆, dapat dihitung untuk suatu reaksi kimia dengan rumus ∆ = ∆ −∆

Rumus ini hanya menggunakan sifat sifat sistem (reaksi) itu sendiri dimana perubahan entalpi sistem,

(3)

∆ adalah

∆ adalah perubahan entropi sistem, dan T adalah sushu mutlak

dalam satuan kelvin.

14


Kelompok 6

∆ untuk suatu proses, dapat diketahui apakah suatu proses reaksi tersebut bersifat spontan atau non spontan. Nilai ∆ yang negatif menggambarkan Setelah mengetahui nilai

bahwa reaksi berjalan spontan. Oleh karena itu agar proses terjadi secara spontan, sistem harus melepaskan entalpi (H harus menurun), merelakan keteraturan (TS harus meningkat). Ini berarti setiap proses spontan menurunkan energi bebas sistem.

7. Apa yang anda ketahui tentang reaksi eksergonik dan endergonik? Dapatkah anda memberikan contoh reaksi-reaksi yang terlibat di dalamnya? Jawaban :

Reaksi Eksergonik adalah reaksi dimana energi dilepaskan selama reaksi berlangsung. Energi potensial pada keadaan awal lebih besar daripada pada keadaan akhir, sehingga reaksi tersebut akan cenderung berlangsung dengan spontan. Dalam reaksi apapun akan terjadi

). Perubahan energi total memiliki dua komponen yaitu perubahan energi bebas (∆ ) dan perubahan entropi (∆). Energi bebas

perubahan energi total pada suatu sistem (

adalah komponen yang dapat melakukan kerja yang berhasil atau yang disimpan untuk melakukan kerja semacam itu lain kali. Jika entropi menurun maka jumlah total energi yang tersedia meningkat sebab sistem bergerak menuruni bukit. Suatu reaksi disebut eksergonik

∆ harus negative ).

jika melepaskan energi bebas (

Reaksi endergonik pada dasarnya adalah reaksi “menaiki bukit” (uphill) dan dicirikan oleh nilai G yang positif (Gambar 1). Dalam reaksi endergonik, energi bebas diserap dalam proses reaksi.Dalam reaksi kimiawi, energi bebas tersebut mungkin disimpan dalam ikatan berenergi tinggi dalam produk reaksi. Karena energi bebas itu tidak dapat diciptakan, energi itu harus datang dari reaksi eksergonik yang menyertainya, dimana energi bebas dilepaskan untuk mendorong proses endergonik. Berbagai proses endergonik atau pembangun dalam suatu organisme selalu terkait dengan sebuah proses eksergonik, dimana molekul molekul kaya energi dipecah. Walaupun kebanyakan proses endergonik juga bersifat endotermik, dimana panas akan diserap oleh sistem, keadaanya tidak harus selalu seperti itu karena harus memperhatikan perubahan entropinya pula. Reaksi eksergonik dan endergonik merupakan reaksi yang menyusun terjadinya fosforilasi glukosa untuk menghasilkan glucose-6 phosphate. Pada gambar (2), reaksi pertama merupakan kondensasi glukosa dengan fosfat

15


untuk

menghasilkan

glucose-6-phosphate

meruapakn

reaksi

endergonik

Kelompok 6

karena

Pi

menghasilkan produk dengan energi yang lebih besar daripada kedua reaktan (∆G positif) dan

Gambar 2 : Gambaran proses eksergonik dan endergonik secara mekanik

Gambar 3 : Gambaran proses eksergonik dan endergonik secara kimiawi

Sumber :http://www.biochem.arizona.edu/classes/ bioc462/462a/NOTES/Bioenergetics/bioenergetic s.html

Sumber :http://www.biochem.arizona.edu/classes/ bioc462/462a/NOTES/Bioenergetics/bioenergetic s.html

reaksi tersebut membutuhkan energi. Sedangkan pada reaksi kedua, terjadi pemecahan ATP menjadi ADP dan fosfat dimana pada reaksi ini terjadi secara eksergonik karena menghasilkan energi (∆G negatif). Pada reaksi ketiga merupakan penggabungan dari kedua reaksi dan reaksi keseluruhan bersifat eksergonik karena ∆G tot al negatif. Endergonik

Eksergonik

Membutuhkan panas atau energy

Melepaskan panas atau energi

Prosesnya disebut anabolisme

Prosesnya disebut katabolisme

Contoh : sintesis, kontraksi otot, eksitasi saraf,

Contoh : respirasi

transport aktif

Tabel 1 : perbedaan reaksi endergonik dan eksergonik Sumber : http://www.scribd.com/doc/36336523/BIOENERGETIKA

16


Gambar 4 : Penggabungan reaksi eksergonik dan endergonik Sumber : http://www.scribd.com/doc/36336523/BIOENERGE TIKA

Kelompok 6

Gambar 5 : Pemindahan energi bebas dari reaksi enksergonik ke reaksi endergonik melalu senyawa perantara berenergi tinggi Sumber : http://www.scribd.com/doc/36336523/BIOENERGE TIKA

Pada gambar (3) dan (4) merupakan skema terjadinya energi dari proses endergonik dan eksergonik. Energi yang dihasilkan adalah energi kimia dan energi panas. Energi kimia yang dihasilkan adalah ATP yang nantinya digunakan tubuh untuk beraktifitas, sedangkan panas hanya akan dibuang melalui respirasi, keringat, urine, feses, dll. Itulah sebabnya ketika kita sedang beraktifitas kita akan merasa panas dan tubuh kita menjadi hangat. Itu terjadi karena proses metabolism lancar. Peran ATP sangatlah penting dalam merangkaikan kedua reaksi tersebut. Dalam tubuh makhluk hidup, reaksi eksergonik dan endergonik terjadi berdampingan. Reaksi eksergonik (misal respirasi) yang ada di dalam tubuh menghasilkan energi yang nantinya akan digunakan untuk reaksi endergonik (misal: sintesis, kontraksi otot, eksitasi, hantaran impuls saraf, transport aktif).

Contoh dari r eaksi eksergoni k i alah :

Glikolisis : serangkaian reaksi biokimia dimana glukosa dioksidasi menjadi asam piruvat. Energi yang dihasilkan disimpan dalam senyawa organic berupa adenosine triphosphat. Skema proses reaksi glikolisis dapat dilihat pada gambar 5 dimana 4 reaksi awal membutuhkan ATP sedangkan 5 reaksi berikutnya menghasilkan ATP Reaksi :

   + 6 + 2 → 2  + 4  + 2 6

12

6

2

+

17


Kelompok 6

Gambar 6 : Glikosis sebagai reaksi eksergonik Sumber :http://www.scribd.com/Rendika_Nopriz_4060/d/59941056-FILE-Edu Siklus Kreb: diawali dengan masuknya Asetil CoA (beratom C2) yang bereaksi dengan asam oksaloasetat (beratom C4) menghasilkan Asam Sitrat (beratom C6). Secara bertahap Asam sitrat melepaskan 2 atom C nya sehingga kembali menjadi asam oksaloasetat (beratom C4), peristiwa ini diikuti dengan reaksi reduksi (pelepasan elektron & ion hidrogen) +

+

oleh NAD dan FAD menghasilkan 2 molekul NADH 2, 2 molekul FADH 2, dan 2 molekul ATP. Dari seluruh rangkaian peristiwa siklus Krebs dihasilkan adalah 4 molekul CO 2, 6 molekul NADH2 , 2 molekul FADH 2, dan 2 molekul ATP. Reaksi

  + 3 +  +  +  + 2  → 2 +  + 3 +  +  +  +

2

2

+

2

Rantai transport electron yang menerima produk dari dua langkah sebelumnya dimana sintesis ATP dalam proses ini disebut fosforilasi oksedatif. Hal ini karena sintesis digerakkan oleh reaksi redoks yang mentransfer electron dari makanan ke oksigen. Fosforilasi oksidatif membentuk hampir 90% ATP yang dihasilkan oleh respirasi se luler. Contoh dari reaksi Endergonik ial ah:

Sintesis: sintesis lemak, sintesis protein, sintesis karbohidrat, sistesis kolest erol. Kontraksi otot: banyak pekerjaan yang menyebabkan kontraksi otot, misalnya menyanyi, berlari, dan sebagainya. Mekanisme Kontraksi Otot : 1. Pergeseran filamen dijelaskan melalui mekanisme kontraksi pencampuran

aktin dan miosin membentuk kompleks akto-miosin yang dipengaruhi oleh ATP. 2. Miosin merupakan produk, dan proses tersebut mempunyai ikatan dengan ATP.

18


Kelompok 6

3. Selanjutnya ATP yang terikat dengan miosin terhidrolisis membentuk kompleks miosin ADP-Pi dan akan berikatan dengan aktin. 4. Selanjutnya tahap relaksasi konformasional kompleks aktin, miosin, ADP-pi secara bertahap melepaskan ikatan dengan Pi dan ADP, proses terkait dan terlepasnya aktin menghasilkan gaya fektorial Eksitasi saraf: berpikir, belajar. Transport aktif yaitu pemindahan yang menggunakan energi untuk mengeluarkan dan memasukkan ion ion dan molekul melalui membrane sel yang bersifat permeable dengan tujuan memelihara keseimbangan molekul kecil didalam sel. Transport aktif melawan aliran perbedaan kensentrasi oleh karena itu membutuhkan energi yang berupa ATP

Gambar 7 : Mekanisme kontraksi otot Gambar 8 : Transport aktif membutuhkan ATP Sumber: http://dhonowareh.blogspot.com/2011/11/otot-

Sumber: nadjeeb.wordpress.com

8. Terkait dengan bacaan di atas, menurut anda mengapa senyawa fosfat diperlukan dalam sistem biologis? Jawaban :

Fosfat dalam sistem biologis berperan sebagai penyusun ATP, dimana ATP berperan sebagai senyawa pembawa energi yang menghubungkan reaksi endergonik dan eksergonik. ATP tersusun dari basa nitrogen Adenin yang berikatan dengan gula pentosa pada karbon 1-nya (Adenosine) dan tiga gugus fosfat pada karbon nomer 5-nya. Ikatan pada fosfat inilah yang menyimpan energi dalam bentuk energi potensial ikatan.

19


Kelompok 6

Gambar 9. ATP dan ikatan fosfoanhidrida

Ikatan fosfoanhidrida merupakan ikatan berenergi tinggi akibat adanya gaya tolak menolak antara ion negatif di ujung ikatan. (lihat gambar). Dalam peristiwa termodinamika di dalam sistem biologis, energi berpindah dalam bentuk ATP. Meski demikian tidak berarti molekul ATP yang berpindah dari satu sistem biologis ke sistem biologis lainnya. Energi berpindah dalam bentuk pelepasan ikatan fosfoanhidrida dan pembentukan ikatan lainnya. ATP dapat melepas energi ikatannya menjadi ADP jika satu ikatan yang terlepas, atau AMP jika dua ikatan yang terlepas menjadi energi. Energi ini digunakan sebagai energi aktivasi dalam suatu reaksi endergonis. Kemudian reaksi-reaksi eksergonik yang menghasilkan energi, mengkatalis terbentuknya ikatan fosfoanhidrida dari AMP atau ADP menjadi ATP. Sehingga dapat dikatakan ATP menjembatani siklus eksergonik-endergonik dalam sistem biologis.

Gambar 10. ATP sebagai penghubung reaksi biologis Perlu dicatat dari skema diatas bahwa Defosforilasi atau pemecahan ikatan anhidrida dalam ATP tidak selalu menghasilkan ADP. ATP dapat juga menghasilkan AMP atau

20


Kelompok 6

adenosin, tergantung dari ikatan fosfoanhidrida yang terlepas. Hasil dari defosforilasi ATP dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti tingkat keasaman dan keberadaan enzim kinase tertentu. Meski ATP dikatakan sebagai media transfer energi, ATP tidak pernah berpindah keluar dari dalam sel. Sehingga kadar fosfat didalam tubuh pun relatif konstan. Yang terjadi adalah siklus perubahan bentuk ATP menjadi senyawa fosfat yang lebih stabil dan kemudian menjadi senyawa berenergi tinggi kembali. Kadar ATP didalam sel adalah 2-8 mmol. Sementara ATP terus bersiklus dalam sehari tubuh dapat menghasilkan 2 x 10 6 mol ATP atau 160 kg ATP. Karena itulah keberadaan fosfat dalam tubuh, dalam dosis yang kecil, memiliki peran yang sangat besar yaitu sebagai media transfer energi dengan cara membentuk ikatan anhidrida.

9. Sebagai senyawa pembawa energi, fosfat digolongkan sebagai L ow Energy Phosphates (L EP) dan H igh E nergy Phosphates (H EP) , apa yang ada ketahui tentang

keduanya?

Berikut adalah perbandingan antara fosfat berenergi rendah (Low Energy Phosphates) dengan fosfat berenergi tinggi (High Energy Phosphates): L ow En ergy Phosphat (L EP)

H i gh En ergy Phosphat (H EP)

LEP adalah senyawa yang jika dihidrolisis 0

HEP adalah senyawa yang jika dihidrolisis 0

memiliki ∆G yang lebih kecil dari -25

memiliki ∆G yang lebih besar dari -25

kJ/mol.

kJ/mol (Lehninger, Principles of

(Lehninger,

Principles

of

Biochemistry )

Biochemistry)

LEP diwakili oleh ester fosfat yang

HEP yang diwakili oleh ester fosfat yang

ditemukan pada zat-zat antara glikolisis

ditemukan pada zat-zat antara glikolisis dan

0

dan memiliki nilai ∆G yang lebih kecil (lebih rendah) daripada nilai ∆G

0

memiliki nilai ∆G0 yang lebih besar daripada nilai ∆G0 hidrolisis ATP (Frasman, G.D.,

hidrolisis ATP

Handbook of Biochemistry and Molecular

H andbook of B iochemistry and M olecular

Biology).

Biology ).

LEP menangkap energi bebas.

HEP membawa energi yang tinggi untuk diberikan kepada reaksi biokimia endergonik, berperan sebagai aliran energi dalam sistem

21


Kelompok 6

biologi. LEP berupa ADP, AMP, dan Glukosa.

HEP berupa kreatin fosfat (pada vertebrata), karbamoil fosfat, fosfoenol piruvat, arginin fosfat (pada invertebrata), ATP, GTP, CTP, dan lain-lain.

Pembentukan ADP sendiri berasal dari

Tiga sumber utama senyawa HEP adalah

pelepasan satu molekul ATP menjadi dua

melalui proses glikolisis, siklus asam sitrat,

ADP

dan proses fosforilasi oksidatif.

Tabel 3 : Energi bebas standar pada hidrolisis sebagian organofosfat yang penting secara biokimia. Sumber: http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/ NOTES/Bioenergetics/bioenergetics.html

Gambar 11 : Tingkatan fosfat Sumber: http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NO TES/Bioenergetics/bioenergetics.html

10. Dalam sistem biologis, ATP memungkinkan terjadinya reaksi dengan cara memberikan energi fosfatnya. Dapatkah anda menjelaskan mekanisme yang terjadi?

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, ATP membawa ikatan yang memiliki energi tinggi yaitu ikatan fosfoanhidrida untuk melakukan kerja dan reaksi endergonik. Tetapi, mekanisme transfer energi pada ATP tidak sederhana. Energi yang dihasilkan dari defosforilasi ikatan anhidrida tidak begitu saja dipakai sebagai energi aktivasi reaksi lain. Tetapi ATP sendiri ikut bereaksi dengan substratnya membentuk sebuah kompleks.

22


Kelompok 6

Ikatan pada ATP sendiri sebenarnya bukanlah ikatan yang kuat, tetapi energi yang dimiliki oleh muatan elektron pada fosfat yang menyebabkan ATP memiliki potensi energi dan entropi yang besar. Hidrolisis ATP atau yang dikenal dengan nama defosforilasi (pelepasan gugus fosfat) yang menghasilkan energi adalah bentuk penyederhanaan dari sebuah reaksi kompleks. Lebih jelas tentang defosforilasi bisa diamati pada proses fotosintesis pada tumbuhan. Fotosintesis pada tumbuhan, dibagi menjadi 2 tahap. Tahap terang yang menggunakan energi matahari untuk proses fosforilasi atau menghasilkan ATP dan juga tahap gelap yang menggunakan ATP tersebut untuk menghasilkan cadangan makanan. Tahap terang merupakan reaksi eksergonik, dan tahap gelap merupakan reaksi endergonik. ATP digunakan sebagai pentransfer energi yang dihasilkan di tahap terang dan digunakan pada tahap gelap. ATP digunakan untuk melakukan fiksasi CO 2 ke dalam cadangan makanan yang bisa digunakan oleh tumbuhan ataupun hewan yang ketika diuraikan akan menghasika n ATP lagi. Tahapan gelap pada fotosintesis atau dikenal dengan nama siklus calvin memiliki beberapa tahapan untuk melakukan fiksasi CO 2. Dalam tahapan tersebut, ATP ikut bereaksi sebagai katalis dalam membentuk senyawa antara. Lebih detailnya mengenai proses Defosforilasi ATP dapat dipelajari ketika mengamati proses fotosintesis.

Gambar 12. Reaksi Siklus Calvin Pada intinya, siklus calvin menggunakan ATP untuk melakukan fiksasi CO 2 kedalam senyawa 3-PGA sehingga menghasilkan senyawa G3P. Selanjutnya, senyawa G3P ini dapat diubah menjadi cadangan karbohidrat sesuai kebutuhan tumbuhan, baik itu pati, selulosa ataupun sukrosa.

23


Kelompok 6

Dari gambaran reaksi tersebut, ternyata ATP tidak hanya dihidrolisis untuk menghasilkan energi dan energi itu digunakan sebagai energi aktivasi. Tetapi ATP juga ikut bereaksi dengan membentuk senyawa antara yang berenergi pada substratnya. Demikian juga terjadi pada re\aksi endergonik dalam tubuh dalam sintesis protein, pergerakan otot dan lainlain. ATP ikut bereaksi membentuk senyawa antara : Kompleks Myosin-ATP pada pergerakan otot, atau kompleks enzym-ATP pada sintesis protein. Setelah mengalami hidrolisis atau defosforilasi, ATP yang berubah menjadi ADP dapat kembali memiliki ikatan fosfatnya dengan proses fosforilasi. Dalam tubuh mahluk hidup hal tersebut terjadi dengan mengubah energi dari makanan. Didalam tubuh, reaksi katabolik dari glikolisis hingga siklus kreb menghasilkan elektron yang berenergi tinggi yang dibawa di NADH dan/atau FADH 2. Senyawa tersebut memiliki potensial elektron yang sangat besar, namun tidak seperti ATP mereka adalah kofaktor yang tidak bisa bereaksi dengan senyawa lain. Sehingga NADH atau FADH 2 tidak bisa digunakan sebagai agen penghubung reaksi endergonik dan eksergonik. Untuk itu, dalam rantai pernapasan manusia, NADH dan FADH 2 akan mendonorkan elektron berlebih mereka pada oksigen. Hal tersebut membebaskan energi dan fosfor yang sangat besar untuk digunakan memfosforilasi kembali ADP menjadi ATP. Sehingga ATP tersebut dapat digunakan untuk reaksi metabolisme dalam tubuh kembali.

Gambar 13. Skema respirasi dalam tubuh manusia

24


Kelompok 6

BAB III Penutup Pada dasarnya, setiap makhluk hidup memerlukan energi untuk bertahan hidup. Energi yang diperlukan dapat diperoleh dari lingkungan hidupnya. Perolehan energi pada makhluk hidup dapat terpenuhi dari makanan yang dikonsumsinya. Pada sistem biologis, ada makhluk hidup yang dapat menciptakan makanannya sendiri (autot rof) dan ada pula makhluk hidup yang tidak dapat menciptakan makanannya sendiri (heterotrof). Baru k emudian energi tersebut diolah. Energi tersebut digunakan untuk melakukan aktivitas sehari-hari sepert i kontraksi otot, transportasi aktifdan lain-lain. Dalam pembahasan termodinamika 2 konsep yang patut dipahami adalah tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda- benda yang seda ng ditinjau disebut sistem. Di lain pihak semua yang berada di sekeliling atau diliau sistem disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika didasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor, dan entropi antara sistem dan lingkungan. Energi dalam sistem biologis berpindah dalam bentuk energi ikatan, energi ikatan disimpan dalam bentuk molekul ATP. ATP digunakan sebagai penghubung reaksi endergonik dan eksergonik. Fosfat dalam sistem biologis berperan sebagai penyusun ATP, dimana ATP berperan sebagai senyawa pembawa energi yang menghubungkan reaksi endergonik dan eksergonik. ATP tersusun dari basa nitrogen Adenin yang berikatan dengan gula pentosa pada karbon 1-nya (Adenosine) dan tiga gugus fosfat pada karbon nomer 5-nya. Ikatan pada fosfat inilah yang menyimpan energi dalam bentuk energi potensial ikatan.

25

makalah bioenergetika

Recommend Documents