BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belang Masalah
Seperti yang telah diketahui bahwa makhluk hidup memerlukan energi yang digunakan untuk pergerakan, pertumbuhan, sintesis biomolekul serta transport ion melintasi membrane sel. Organisme akan menggunakan energi tersebut secara efisien untuk proses hidup. Dalam rangka untuk menghasilkan energi, karbohidrat, lipid, asam amino dengan melalui jalur metabolisme yang berbeda akan dipecah dan menghasilkan sejumlah molekul pembawa energi yang selanjutnya melalui proses oksidasi biologi. Senyawa pembawa energi digolongkan menjadi 2, yaitu low energi phosphates-ADP, AMP, glukosa-1 phosphate- yang bertugas menangkap energi bebas dan high energi phosphates (HEP) – kreatin kreatin fosfat, ATP, karbamoil fosfat, GTP, fosfoenol piruvat dan CTP- yang membawa energi tinggi untuk diberikan kepada reaksi biokimia. Terdapat tiga sumber utama senyawa HEP dalam konsevasi energi yaitu dari proses glikolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif. NADH yang merupakan hasil dari siklus Krebs yang terjadi dalam mitokondria akan digunakan dalam reaksi reduksi untuk menghasilkan ATP yang merupakan molekul pembawa energi melalui proses fosforilasi oksidatif. Banyak manifestasi berkaitan dengan adanya radikal bebas yang merupakan hasil dari proses oksidasi biologi seperti penuaan dini, namun mekanisme perjalanan penyakit tersebut masih sulit untuk dijelaskan. 1.2 Rumusan Masalah
Apa yang di maksud dengan Oksidasi biologi ?
Bagaimana proses reaksi oksidasi biologi ?
Bagaimana fungsi reaksi oksidasi biologi dan peran Enzim / Ko-enzim dalam Oksidasi Biologis?
Apa saja yang menjadi sumber utama dalam reaksi oksidasi biologi ?
1
1.3 Tujuan Penulisan
Mengetahui dan memahami definisi reaksi oksidasi biologi.
Memahami proses reaksi oksidasi biologi.
Mengetahui fungsi reaksi oksidasi biologi dan peran Enzim / Ko-enzim dalam Oksidasi Biologis.
Mengetahui sumber utama dalam Oksidasi Biologis.
1.4 Manfaat Penulisan
Secara Akademis, Penulisan ini dapat menambah dan memperkaya ilmu pengetahuan dan sumber bacaan.
Secara Teoritis, Penulisan ini dapat memberikan sumbangan berkaitan dengan kajian mengenai oksidasi biologi.
2
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Definisi
Reaksi Oksidasi dapat didefinisikan sebagai peristiwa kehilangan elektron atau kehilangan hydrogen, sehingga disebut juga reaksi dehidrogenasi. Bila suatu senyawa dioksidasi maka harus ada senyawa lain yang direduksi, yaitu akan memperoleh elektron atau memperoleh hydrogen. Secara kimiawi, oksidasi di definisikan sebagai pengeluaran electron dan reduksi sebagai penangkapan electron, sebagaimana di lukiskan oleh oksidasi ion fero menjadi feri e (elektron) Fe2+ Fe3+. Dengan demikian, oksidasi selalu disertai reduksi aseptor elektron. Prinsip ini osidasi – reduksi ini berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang melandasi pemahaman sifat oksidasi biologi. Kita ketahui bahwa banyak oksidasi biologi dapat berlangsung tanpa peran serta molekul oksigen, misalnya dehidrogenasi. Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpanan energi, yang berbunyi: energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan. Ini berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain. Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya. Kaidah kedua termodinamika: Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa dan 3 gugus fosfat.
3
2.2 Proses Oksidasi Biologi
Reaksi oksidasi biologi selalu diikuti reaksi reduksi. Oksidasi tidak selalu menggunakan oksigen, misalnya Dehidrogenasi. 1.
Oksidasi adalah proses pengeluaran electron lawannya reduksi yaitu proses penerimaan electron. Contoh : ion feri dioksidasi menjadi ion fero
2.
Reaksi
REDOKS
(reduksi
&
oksidasi)
memerlukan
enzim
Oksidoreduktase. 3.
Oksidasi biologi pada makhluk hidup tingkat tinggi mutlak memerlukan adanya oksigen. Pada makhluk tertentu (bakteri anaerob) mampu melakukan oksidasi biologi tanpa Oksigen bebas.
4.
Kemampuan suatu senyawaan melakukan pertukaran electron (memberi atau menerima electron) disebut sebagai potensial redoks (dinyatakan dalam satuan volt)
5.
Enzim / Ko-enzim dan Logam yang berperan dalam oksidasi biologi adalah. ENZIM / KO-ENZIM 1. OKSIDASE
LOGAM Mg, Fe, Cu, Mo
2. DEHIDROGENASE 3. HIDROPEROKSIDASE 4. OKSIGENASE
2.3 Fungsi Reaksi Oksidasi Biologi
Di dalam system biologi sel makhluk hidup, reaksi oksidasi reduksi berperan dalam reaksi-reaksi yang menghasilkan energy. Contohnya pada oksidasi glukosa menjadi CO 2, air dan energi. Proses oksidasi reduksi ini dapat berlangsung secara anaerob maupun aerob. Pada keadaan aerob reaksi berlangsung tanpa adanya oksigen sebagai penerima akhir elektron atau hydrogen.
4
Contohnya adalah proses peragian karbohidrat oleh sel ragi. Karbohidrat seperti pati, glukosa, sukrosa, dll. Dapat diuraikan oleh enzim-enzim yang terdapat di dalam ragi menjadi CO2 dan etanol. Pada keadaan aerob reaksi berlangsung dengan menggunakan oksigen sebagai penerima akhir elektron atau hydrogen. Keadaan ini dapat ditemukan pada berbagai sel hidup dalam lingkungan yang cukup oksigen. Hasil akhir oksidasi aerob adalah CO2 dan air. Dari uraian tersebut, tampak bahwa baik pada keadaan aerob maupun anaerob, oksidasi selalu menghasilkan CO 2. Perbedaan hanya pada terbentuknya air ( pada oksidasi aerob) dan etanol ( anaerob ). Dari fakta ini dapat disimpulkan bahwa oksidasi aerob merupakan oksidasi lengkap. Hal ini dapat dipahami karena air tidak dapat dioksidasi lagi, sedangkan etanol masih dapat dioksidasi lebih lanjut. Oksidasi biologi berbeda dengan oksidasi yang terjadi dalam system bukan biologi, tidak berlangsung secara sekaligus tanpa kendali, tetapi secara bertahap. Untuk itu diperlukan sejumlah enzim yang bekerja sama dalam memindahkan elektron atau hydrogen. sebuah sel memperoleh energy dari molekul gual atau protein dengan membiarkan atom-atom karbon dan hidrogennya bersenyawa dengan oksigen membentuk CO 2 dan H2O. oksidasi sel berlangsung secara bertahap. proses itu dipecah menjadi sejumlah reaksi dan hanya sebagian kecil saja yang secara langsung melibatkan penambahan oksigen. Oksidasi tidak hanya diartikan sebagai penambahan atom-atom oksigen, oksidasi lebih tepat bila digunakan untuk seua reaksi dimana elektron - elektron dipindahkan dari satu atom ke atom yang lain. Oksidasi dalam pengertian ini didefinisikan sebagai pelepasan elektron sedangkan reduksi penambahan elektron. Walaupun secara energi bentuk karbon yang sering dijumpai adalah CO 2 dan untuk hydrogen adalah H 2O. Kedua molekul itu sesungguhnya berada dalam keadaan stabil dan membutuhkan energi aktifasi agar dapat mencapai konfigurasi yang lebih stabil.
5
Katalisator protein yang sangat spesifik atau enzim bergabung dalam molekul-molekul biologi sedemikian rupa sehingga bahan tersebut mengurangi energi aktifasi reaksi-reaksi tertentu yang harus dijalani oleh molekul-molekul tersebut. Sebagian energi yang dilepaskan dalam reaksi oksidasi dimanfaatkan dalam pembentukan ATP. ATP berfungsi sebagai media penyimpan energi yang baik untuk menggerakkan berbagai reaksi kimia yang dibutuhkan oleh sel. Didalam sel yang sedang bernafas secara aerobik oksidasi menjadi aseti co enzim A dan CO2. Oksidasi dalam tahap ini memerlukan 3 kelompok enzim : 1) Kelompok piruvat dehidrogenase meng-oksidasi dan mengadakan dekarboksilasi oksidatif menjadi suatu bentuk asetat yaitu tioester asetil CoA 2) Daur krebs asam trikarboksilat mengoksidasi karbon menjadi CO2 dan membentuk NADH dan FADH2 3) Rantai pernafasan dari enzim pemindah elektron mengoksidasi kembali ko enzim NADH dan FADH2 yang telah diproduksi oleh reaksi-reaksi dehidrogenase dari katabolisme. Pada pernafasan elektron dan proton yang semula diturunkan dari molekul-molekul makanan, akhirnya bereaksi dengan O2 untuk menghasilkan H 2O. Rantai pernafasan enzim terletak di membran mitokondria dalam dan akseptor elektron akhiran adalah oksigen. 2.4 Peran Enzim/Ko-enzim dalam Oksidasi Biologis
Enzim/Ko-enzim yang terlibat dan berperan dalam proses oksidasi biologis yaitu : a) Enzim Oksidase Oksidase merupakan enzim yang berperan mengkatalisis Hidrogen yang ada dalam substrat dengan hasil berupa H 2O dan H 2O2. Enzim ini berfungsi sebagai AKSEPTOR ion Hidrogen. Enzim ini banyak terdapat dalam mioglobin, hemoglobin, dan sitokrom lain.
6
Enzim ini merupakan zat terakhir dari rangkaian proses respirasi yang berperan memindahkan electron yang dihasilkan dari proses oksidasi sebelumnya yaitu oleh enzim dehidrogenase. Bentuk-bentuk lain yang perannya sama dengan enzim oksidase yaitu Flavoprotein Mononukleotida (FMN) dan
Flavin Adenin Dinukleotida
(FAD) yang berasal dari VITAMIN riboflavin. FMN banyak terdapat dalam ginjal, usus halus, dan hati. FAD banyak terdapat dalam hati. Enzim Oksidase memanfaatkan oksigen sebagai akseptor hydrogen. Sebagi Oksidase mengandung Tembaga Sitokrom oksidase merupakan hemoprotein yang tersebar luas dalam banyak jaringan, dengan gugus prostetik heme yang secara khas ditemukan dalam mioglobin, hemoglobin, serta sitrokom lain. Enzim ini merupakan komponem terakhir pada rantai pembawa (carrier) respiratorik yang ditemukan dalam mitokondria dan dengan demikian bertanggung jawab atas reaksi pemindahan elektron yang dihasilkan dari oksidasi molekul substrat oleh dehidrogenase kepada akseptornya yang terakhir, yaitu oksigen. Gas karbon monoksida, sianida, dan hydrogen sulfide merupakan racun bagi enzim sitokrom oksidase. Sifat yang berlainan sehubungan dengan efek karbon monoksida serta sianida. b) Enzim Dehidrogenase Enzim ini berperan sebagai pemindah ion Hidrogen dari substrat satu ke substrat berikutnya dalam reaksi Redoks Couple. Contohnya ialah penggunaan
enzim
dehidrogenase
dalam
pemindahan
electron
di
membrane dalam mitokondria, siklus Kreb, dan glikolisis fase anaerob. Enzim ini tidak menggunakan Oksigen sebagai akseptor ion Hidrogen. Aktivitas enzim Dehidrogenase juga punya ketergantungan pada ko-enzim Nikotinamida --- NAD (Vitamin Niasin) dan vitamin Riboflavin. Ada sejumlah besar enzim didalam kelompok ini.
7
Enzim-enzim tersebut melaksanakan 2 fungsi utama: 1. Pemindahan hidrogen dari substrat yang satu kepada substrat yang lain dalam reksi oksidasi-reduksi berpasangan. Enzim dehidrogenase ini bersifat sangat spesifik untuk substratnya, tetapi sering memakai koenzim
atau
pembawa
hidrogen
yang
sama
seperti
enzim
dehidrogenase lain, misal, NAD. Karena reaksi berlangsung reversibel, sifat-sifat ini memudahkan senyawa ekuivalen preduksi dipindahkan secara bebas didalam sel. 2. Sebagai komponem dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen. c) Enzim Hidroperoksidase Enzim Hidroperoksidase Menggunakan Hidrogen Peroksida Atau Peroksida Organik Sebagai Substrat. Ada dua tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini : Peroksidase dan Katalase. 1. Peroksidase : banyak terdapat dalam air susu, leukosit, trombosit, dan jaringan tubuh lainnya yang berperan dalam metabolisme Eikosanoid (berkaitan dengan asam lemak tak jenuh). Enzim peroksidase berperan penting menjaga lipid membrane sel dan hemoglobin dari senyawaan peroksida
(H 2O2 ) yang bersifat
toksik. 2. Katalase : banyak terdapat dalam jaringan hati, sel mukosa, darah, sumsum tulang, dan ginjal. Bagian organel sel dari jaringan tersebut yang memiliki dua fungsi sekaligus yaitu untuk menghasilkan dan untuk menghancurkan hydrogen peroksida adalah Enzim Peroksisom. Enzim ini berperan menghancurkan hydrogen peroksida yang dihasilkan dari aktivitas enzim oksidase. d)
Enzim Oksigenase Enzim ini berperan dalam sintesis atau penguraian berbagai senyawaan Enzim ini banyak ditemukan dalam hati. Ada dua macam enzim Oksigenase
yaitu:
Dioksigenase
8
dan
Monooksigenase.Enzim
Dioksigenase berfungsi mengkatalisis penyatuan oksigen ke dalam molekul
substrat
sedangkan
Enzim
Monooksigenase
banyak
ditemukan dalam sel-sel hati yang bekerja bersama enzim Sitokrom P450
untuk
hidroksilasi
obat.
Enzim
Oksigenase
Mengatalisis
Pemindahan Langsung Dan Inkorporasi Oksigen ke dalam Molekul Substrat. Enzim oksigenase lebih berhubungan dengan sintesis atau penguraian berbagai tipe metabolit dibandingkan mengambil bagian dalam reaksi yang bertujuan memberikan enegi pada sel. Enzim-enzim dalam kelompok ini mengatalisis inkorporasi (penyatuan) oksigen kedalam molekul substrat. Peristiwa ini berlangsung melalui 2 tahap : a. Pengikatan oksigen dengan enzim pada tapak aktif. b. Reaksi saat oksigen yang terikat direduksi atau dipindahkan kepada substrat. 2.5 Sumber utama
Ada 3 sumber utama yang berperan dalam konservasi atau penangkapan energi antara lain : a) Fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif adalah sumber terbesar dalam organisme aerobik. Energi bebas untuk menggerakkan, proses ini berasal dari oksidasi rantai respirasi di dalam mitokondria dengan menggunakan oksigen. b) Glikolisis terjadi pembentukan netto dua yang terjadi akibat pembentukan laktat. c) Siklus asam sitrat Dalam siklus asam sitrat satu.
9
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
1. Reaksi berlangsung spontan bila terjadi pelepasan energi bebas (tG negatif) yaitu reaksi tersebut bersifat eksergonik, dan jika tG positif, reaksi hanya berlangsung bila diperoleh energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik. 2. ATP adalah zat perantara penukar energi bebas, yang merangkaikan proses-proses yang bersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik. 3. Enzim oksidase dan dehidrogenase memiliki peran utama dalam proses rantai pernapasan. 4. Komplek-komplek enzim dalam rantai pernapasan menggunakan potensial energi dari gradien proton untuk mensintesa ATP dari ADP dan Pi. Dengan demikian jelas terlihat bahwa rangkaian reaksi oksidasi terangkai erat dengan fosforilasi. 5. Terdapat sejumlah senyawa kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi oksidasi dan peristiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi. 6. Terdapat protein pengangkut khusus untuk perlintasan beberapa ion dan metabolit pada membran mitokondria. 3.2 Saran
Penulis menyadari dalam pembuatan makalah ini tidaklah sempurna dan masih banyak yang harus diperbaiki. Oleh karena itu, penulis memohon saran dan kritik yang membangun dari pembaca agar untuk di kemudian hari penulis dapat menyusun makalah yang lebih baik lagi. Semoga makalah ini bermanfaat untuk semua pihak.
10
