MAKALAH BIOENERGETIKA PEMICU 2.docx

MAKALAH BIOENERGETIKA PEMICU 2 ASPEK TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA DALAM OKSIDASI BIOLOGI DAN PROSES PENGIKATAN OKSIGEN OLEH HEMOGLOBIN

KELOMPOK 8 Desya Pramadhanti

1506729600

Glory Lamria

1506675812

Ivan Markus

1506744551

Karima Agustianti

1506675730

Luki Farhandika

1506724871

TEKNOLOGI BIOPROSES DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2017

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan makalah Aspek Termodinamika dalam Oksidasi Biologi dan Proses Pengikatan Oksigen oleh Hemoglobin ini dengan baik dan tepat  pada waktunya. Laporan ini dibuat atas dasar pemicu kedua dari mata kuliah Bioenergetika. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah membantu penulis dalam proses pembuatan makalah ini, yaitu: 1. Dosen mata kuliah bioenergetika, Ibu Dianursanti dan Ibu Tania Surya yang telah membimbing kami selama proses perkuliahan 2. Kak Rizki Larasati, selaku asisten dosen yang ikut membimbing kami selama proses  pembelajaran di kelas. 3. Rekan-rekan Departemen Teknik Kimia 2015 yang selalu memberikan dukungan kepada penulis. Penulis berharap, para pembaca dapat mendapatkan manfaat yang baik dari dalam makalah ini. Penulis juga mohon maaf bila terdapat kekurangan di dalamnya, karena keterbatasan waktu, tempat dan sumber informasi yang ada. Kami sebagai penulis pun  juga sangat mengharapkan kritik dan saran yang dapat membantu kemajuan kami. Semoga kami sebagai penulis dapat menjadi orang yang lebih baik lagi.

Depok, 30 Oktober 2017

Penyusun

2

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan makalah Aspek Termodinamika dalam Oksidasi Biologi dan Proses Pengikatan Oksigen oleh Hemoglobin ini dengan baik dan tepat  pada waktunya. Laporan ini dibuat atas dasar pemicu kedua dari mata kuliah Bioenergetika. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah membantu penulis dalam proses pembuatan makalah ini, yaitu: 1. Dosen mata kuliah bioenergetika, Ibu Dianursanti dan Ibu Tania Surya yang telah membimbing kami selama proses perkuliahan 2. Kak Rizki Larasati, selaku asisten dosen yang ikut membimbing kami selama proses  pembelajaran di kelas. 3. Rekan-rekan Departemen Teknik Kimia 2015 yang selalu memberikan dukungan kepada penulis. Penulis berharap, para pembaca dapat mendapatkan manfaat yang baik dari dalam makalah ini. Penulis juga mohon maaf bila terdapat kekurangan di dalamnya, karena keterbatasan waktu, tempat dan sumber informasi yang ada. Kami sebagai penulis pun  juga sangat mengharapkan kritik dan saran yang dapat membantu kemajuan kami. Semoga kami sebagai penulis dapat menjadi orang yang lebih baik lagi.

Depok, 30 Oktober 2017

Penyusun

2

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ....................... 2 DAFTAR ISI....................................................... ............................................................................. ............................................ ............................................ ........................... ..... 3 DAFTAR GAMBAR .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. ........................... .... 4 DAFTAR TABEL................................................... ......................................................................... ............................................ ............................................. .......................4 BAB I PENDAHULUAN.......................................... ................................................................. ............................................. ......................................... ................... 5 1.1 Latar Belakang ............................................ ................................................................... ............................................. ......................................... ................... 5 1.2 Rumusan Masalah ........................................... ................................................................. ............................................ ...................................... ................ 5 1.3 Tujuan Pembelajaran.......................................................... ................................................................................ ......................................... ...................6 BAB II PEMBAHASAN ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ................... 7 2.1 Aspek Termodinamika dalam Oksidasi Biologi .................................................. ......................................................... ....... 7 2.1.1.  Nomor 1 ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ........................... .... 7 2.1.2.  Nomor 2 ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ......................... .. 10 2.1.3.  Nomor 3 ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ......................... .. 12 2.1.4.  Nomor 4 ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ......................... .. 14 2.2 Aspek Termodinamika dalam Proses Pengikatan Oksigen oleh Hemoglobin .......... 17 2. 2. 1  Nomor 1 ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 17 2. 2. 2  Nomor 2 ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 19 2. 2. 3  Nomor 3 ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 22 2. 2. 4  Nomor 4 ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 24 2. 2. 5  Nomor 5 ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 27 BAB III PENUTUP .............................................................. ..................................................................................... .............................................. ............................ ..... 30 3.1 Kesimpulan....................................... Kesimpulan............................................................. ............................................. .............................................. ............................ ..... 30 Daftar Pustaka .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ .................................... ..............31

3

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Contoh reaksi redoks ................................................................................................ 7 Gambar 2. NAD+ dan NADP+ Elektron Carrier ........................................................................ 9 Gambar 3. Mekanisme transport elektron .................................................................................. 9 Gambar 4. Pemindahan tingkat energi elektron ....................................................................... 10 Gambar 5. Diagram Alir Konsep Warburg .............................................................................. 10 Gambar 6. Diagram Alir Reduksi Oksigen .............................................................................. 11 Gambar 7. Struktur Hemoglobin.............................................................................................. 20 Gambar 8. Heme yang terdeoksigenasi dan teroksigenasi ....................................................... 20 Gambar 9. Kurva disodiasi oksigen ......................................................................................... 22 Gambar 10. Efek pH pada kurva saturasi oksigen. Seiring dengan penurunan pH, afinitas hemoglobin terhadap oksigen menurun, menimbulkan efek Bohr .......................................... 23 DAFTAR TABEL Tabel 1. Nilai potensial standar E 0 dan nilai energi bebas standar ∆Go beberapa reaksi redoks  pada sistem biologis ................................................................................................................. 13 Tabel 2. Analisis empat tahap pengikatan O 2 oleh hemoglobin manusia ................................ 24

4

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Salah satu reaksi yang banyak terjadi di alam ini adalah reaksi reduksi dan oksidasi, dimana oksidasi adalah reaksi yang melibatkan penegluaran elektron sedangkan reduksi adalah reaksi penangkapan elektron. Selain terjadi pada re aksi kimiawi, reaksi reduksi dan oksidasi atau yang lebih dikenal dengan reaksi redoks ini, juga dapat terjadi pada reaksi  biokimia oleh makhluk hidup. Enzim dan O 2 dalam reaksi disebut akseptor elektron metabolit dan enzim tereduksi yang disebut donor elektron. Dalam sebuah reaksi oksidasi biologis terdapat enzim yang berperan didalamnya atau yang sering kita sebut sebagai enzim oksidoreduktase. Enzim oksidoreduktase ini terdapat dalam sistem biokimia yang terdapat dalam beberapa metabolisme sel. Enzim oksidorduktase ini dibagi menjadi lima kelompok enzim yaitu oksidase, dehidrogenase, hidrogen peroksidase, oksigenase, dan superoksida dismutase. Proses oksidasi biologis mendasari beberapa mekanisme dari metabolisme sel dalam sistem biokimia. Metabolisme menggambarkan tentang bagaimana sel memperoleh, mengubah, menyimpan, dan menggunakan energi. Energi inilah yang sering disebut dengan energi bebas Gibbs, dimana energi ini saling berkaitan dengan reaksi yang terjadi dalam metabolisme sel yang memengaruhi suatu proses kesetimbangan kimia dari  perubahan energi tersebut. Salah satu contoh reaksi redoks di dalam sel yang menarik untuk dipelajari adalah reaksi pengikatan oksigen di dalam protein yang bernama hemoglobin. Tanpa reaksi ini, makhluk hidup aerob, termasuk manusia tidak dapat hidup, karena oksigen tidak akan dapat diedarkan pada jaringan, dimana oksigen menjadi bahan utama dalam pembakaran yang menghasilkan energi. Dalam termodinamika, kita tidak akan lepas dari mempelajari kespontanan reaksi dan energi yang dihasilakan dan diterima oleh suatu reaksi. Reaksi reduksi-oks idasi adalah salah satu jenis reaksi yang juga dapat didekati dari sisi termodinamikanya yaitu dengan mengetahui perubahan energi gibbs dari suatu reaksi oksidasi dan reduksi. Jadi, kita memiliki tiga kata kunci disini, reduksi-oksidasi, energi bebas gibbs dan reaksi di dalam sel. Ketiga kata kunci tersebut sangat berkaitan erat dan akan dibahas pada makalah ini. 1.2 Rumusan Masalah 1. Apa konsep oksidasi reduksi dalam sistem biokimia? 2. Bagaimana implementasi konsep oksidasi reduksi pada setiap organisme dalam mempertahankan kehidupannya? 3. Apa yang dimaksud dengan enzim oksidoreduktase? 4. Bagaimana keterlibatan enzim-enzim oksidoreduktase dalam reaksi oksidasi biologis? 5. Bagaimana dengan perubahan energi bebas yang terjadi dalam reaksi oksidasi biologis? 6. Apa konsep dari respirasi pada makhluk hidup? 7. Apa perbedaan respirasi aerob dan anaerob pada makhluk hidup? 8. Bagaimana mekanisme pengikatan oksigen oleh hemoglobin?

5

9. Bagaimana pengaruh energi gibbs dan pH dalam proses pengikatan oksigen oleh hemoglobin? 10. Apa saja kah perubahan sifat-sifat termodinamika dalam suatu reaksi biokimia? 11. Bagaimana menentukan pengaruh temperatur terhadap sifat-sifat te rmodinamika dalam suatu reaksi biokimia? 1.3 Tujuan Pembelajaran Dalam penulisan laporan ini, penulis memiliki beberapa tujuan sebagai berikut: 1. Mempelajari reaksi reduksi-oksidasi 2. Mempelajari reaksi reduksi-oksidasi di dalam makhluk hidup 3. Mempelajari cara menghitung energi bebas Gibbs di dalam reaksi oksidasi 4. Mempelajari ikatan antara hemoglobin dan oksigen di dalam sel 5. Mempelajari hubungan pH, temperatur, dan tekanan pada pengikatan oksigen oleh hemoglobin 6. Mempelajari cara menghitung energi bebas Gibbs pada keadaan non-standa r di mana tekanan, temperatur dan pH tidak standar

6

BAB II PEMBAHASAN 2.1 Aspek Termodinamika dalam Oksidasi Biologi 2.1.1.  Nomor 1 Apa yang dapat anda jelaskan lebih lanjut mengenai konsep oksidasi reduksi dalam sistem biokimia? Bagaimana implementasinya pada setiap or ganisme hidup dalam mempertahankan kehidupannya? Konsep reaksi redoks Definisi dari reaksi reduksi dan oksidasi terdiri dari beberapa definisi yaitu: 1) Transfer Oksigen (Reduksi: kehilangan oksigen, Oksidasi: mendapatkan oksigen) 2) Transfer Hidrogen (Reduksi: mendapatkan hydrogen, Oksidasi: kehilangan hidrogen) 3) Transfer elektron (Reduksi: mendapatkan elektron, Oksidasi: kehilangan elektron) Definisi yang paling sering dipakai adalah transfer elektron, dimana reaksi reduksi oksidasi adalah reaksi kimia yang melibatkan perpindahan elektron dari dua substansi/spesi kimia. Reaksi redoks terjadi ketika melibatkan suatu molekul/atom/ion yang mengalami perubahan angka oksidasi akibat mendapatkan/kehilangan elektron. Dalam kehidupan sehari-hari, reaksi redoks cukup umum, terjadi pada proses fotosintesis, respirasi, pembakaran, pengkaratan, dan lain-lain.

Gambar 1. Contoh reaksi redoks (sumber: chemguide.co.uk)

Dalam reaksi redoks, terdapat agen pereduksi (reduktor) dan agen  pengoksidasi (oksidator). Reduktor adalah substansi kimia yang menyebabkan substansi lain bereduksi, atau substansi kimia yang mengalami oksidasi. Oksidator adalah substansi kimia yang menyebabkan substansi lain beroksidasi, atau substansi kimia yang mengalami reduksi. Dalam reaksi redoks, ada beberapa peraturan untuk memberikan angka oksidasi suatu spesi kimia: 1)  Nilai oksidasi atom individual adalah 0.

7

2)  Nilai total oksidasi dari seluruh atom dalam: spesi netral adalah 0, dan spesi ion adalah sesuai dengan nilai ionisasi. 3) Unsur Logam IA memiliki nilai oksidasi +1 dan logan IIA +2. 4)  Nilai oksidasi fluor (F) dalam senyawa adalah -1. 5) Hidrogen umumnya memiliki nilai oksidasi +1 dalam senyawa. 6) Oksigen umumnya memiliki nilai oksidasi -2 dalam senyawa. 7) Dalam senyawa logam biner, grup VIIA memiliki nilai oksidasi -1, grup VIA -2, dan grup VA -3. Reaksi reduksi oksidasi merupakan dua setengah reaksi (half-reaction) yang menjadi satu, yaitu terdiri dari setengah reaksi oksidasi, dan setengah reaksi reduksi. Sehingga tidak ada perubahan jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi redoks karena elektron yang terlepas dari oksidasi akan diterima oleh reduksi. Contoh reaksi redoks menggunakan setengah reaksi:

   + → + 

Reduksi half-reaction: Oksidasi half-reaction:

+  2 − →    → +  3 −

Reaksi redoks setimbang:

3+  6 − →3 2 →2 +  6 − 2 3+ →2 + 3

Reaksi redoks dalam system biologis/makhluk hidup Didalam tubuh makhluk hidup, banyak terjadi reaksi redoks yang umum ditingkat seluler. Contoh yang cukup umum dalam tubuh manusia mis alnya reaksi redoks hemoglobin mengikat O 2 dan melepas CO2 dengan bantuan buffer HCO 3-. Didalam seluruh makhluk hidup, contoh lainnya adalah konsumsi glukosa ataupun fotosintesis. Reaksi redoks yang terjadi didalam tubuh makhluk hidup bukan hanya  proses transfer elektron, tapi juga bertujuan untuk mendapatkan energi dari  pemindahan elektron tersebut. Contoh dalam reaksi katabolisme glukosa: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O ΔG = -686 kcal/mol Dalam reaksi katabolisme glukosa tersebut, berlangsung selama beberapa  proses panjang, dari glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus krebs, hingga transfer elektron. Dalam proses yang ada, seluruh elektron yang bersumber dari komponen glukosa, ditransfer melalui elektron carrier (NADH dan FADH 2) kedalam transport elektron.

8

Gambar 2. NAD+ dan NADP+ Elektron Carrier  (sumber: tamu.edu)

Gambar 3. Mekanisme transport elektron (sumber: khanacademy.org)

Elektron carrier ini bisa memindahkan elektron dari glukosa, karena reaksi yang terjadi berlangsung spontan:  NAD+ + H+ + 2e-  NADH ∆E0 = −0.315 V  NADP+ + H+ + 2e-  NADPH ∆E0 = −0.320V 9

FAD + 2H+ + 2e-  FADH2 ∆E0 = −0.219 V Elektron carrier ini membawa elektron dari tingkat energi tinggi (dalam glukosa) ke tingkat yang lebih rendah, sehingga reaksi pemindahan pun  berlangsung spontan.

Gambar 4. Pemindahan tingkat energi elektron (sumber: khanacademy.org)

Sehingga bisa terlihat bahwa reaksi redoks yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup bertujuan untuk mengambil elektron pada tingkat energi yang tinggi, kemudian dilepaskan dengan beberapa reaksi biologis tertentu dalam sel ketingkat energi yang lebih rendah (elektron lebih stabil) sehingga energi yang ada dapat dipakai oleh sel dalam bentuk ATP. 2.1.2.  Nomor 2 Bagaimana keterlibatan enzim-enzim dalam reaksi ini? 1. Fungsi Enzim Konsep teori oksidasi dikemukakan oleh

Warburg.

Warburg +

mengemukakan bahwa pada transfer elektron, atom H diubah menjadi H  dan ion Fe

3+

 direduksi menjadi Fe

2+

. Enzim dan O2 dalam reaksi disebut akseptor

elektron metabolit dan enzim tereduksi yang disebut donor elektron yang tertera pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram Alir Konsep Warburg (sumber: Anonim, 2016) 10

Menurut Wieland, reaksi oksidasi sama dengan reaksi dehidrogenasi. Berdasarkan konsep Warburg dan Wieland ini dapat disimpulkan bahwa enzim oksidatif disebut sebagai enzim oksidoreduktase, yaitu enzim yang terlibat dalam proses oksidasi dan juga reaksi reduksi. Rangkaian enzim dan zat atau molekul pembawa elektron yang memisahkan atom H menjadi +

 proton (H ) dengan elektron berenergi tinggi menuju oksigen yang disebut dengan rantai respirasi. Rantai respirasi terletak didalam mitokondria. Pada rantai respirasi oksigen akan direduksi menjadi H 2O. Selama proses transfer elektron banyak energi yang dibebaskan dan disimpan dalam bentuk ATP melalui proses fosforilasi oksidatif. Diagram alir reduksi oksigen terlihat dalam Gambar 2.

Gambar 6. Diagram Alir Reduksi Oksigen (sumber: Anonim, 2015)

2. Mekanisme Kerja Enzim Enzim adalah senyawa protein yang dapat mengatalisis reaksi-reaksi kimia dalam sel dan jaringan makhluk hidup. Enzim merupakan biokatalisator yang mempunyai arti yaitu senyawa organik yang mempercepat reaksi kimia. Sifat- sifat enzim yaitu enzim merupakan protein, biokatalisator, dapat mempercepat reaksi kimia dengan jalan menurunkan energi aktivasi, yaitu energi awal yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia, enzim bekerja spesifik, bekerja dengan sangat cepat, tidak ikut bereaksi, dan memiliki sisi aktif atau sisi katalitik. a. Komponen Penyusun Enzim Berdasarkan komponen penyusunnya, enzim dibedakan menjadi: a) Enzim protein sederhana terdiri atas protein.  b) Enzim konjugasi, terdiri atas protein dan nonprotein. Enzim konjugasi disebut juga holoenzim.  b. Cara Kerja Enzim a) Hipotesis “ Lock and Key” Dikemukakan oleh Emil Fischer, cara kerja enzim seperti kunci dengan anak kunci yaitu seperti penjelasan dibawah ini. 

Antara enzim dan substrat terjadi persatuan yang kaku seperti kunci dan anak kunci.

11



Enzim memiliki suatu tempat untuk bergabung dengan substrat yang disebut active site  (lokasi aktif) yang merupakan tempat  perlekatan molekul substrat. 3) Pada tempat perlekatan tersebut mempunyai konfigurasi tertentu dan hanya substrat khusus yang cocok untuk dapat bergabung. 4) Selama reaksi berjalan, enzim dan substrat berkombinasi sementara membentuk kompleks enzim substrat. 5) Hubungan di antara enzim dan substrat berkombinasi merupakan hubungan yang lemah, sehingga mudah berpisah lagi. 6) Setelah reaksi, hasil-hasil reaksi tidak lagi bersatu dengan sisi aktif atau sisi katalitik 7) Pada tempat perlekatan tersebut mempunyai konfigurasi tertentu dan hanya substrat khusus yang cocok untuk dapat bergabung. 8) Selama reaksi berjalan, enzim dan substrat berkombinasi sementara membentuk kompleks enzim substrat. 9) Hubungan di antara enzim dan substrat berkombinasi merupakan hubungan yang lemah, sehingga mudah berpisah lagi. 10) Setelah reaksi, hasil-hasil reaksi tidak lagi bersatu dengan sisi aktif atau sisi katalitik  b) Hipotesis Koshland Menurut Koshland, enzim dan sisi aktifnya merupakan struktur yang secara fisik lebih fleksibel dan terjadi interaksi dinamis antara enzim dengan substrat. Jika substrat berkombinasi dengan enzim akan terjadi perubahan konfigurasi sisi aktif enzim, sehingga fungsi enzim  berlangsung efektif. Terdapat lima enzim yang berperan dalam proses reaksi oksidasi biologi yang termasuk kedalam golongan enzim oksidoreduktase antara lain : 1) Oksidase 2) Dehidrogenase 3) Hidrogen peroksidase 4) Oksigenase 5) Superoksida dismutase 2.1.3.  Nomor 3 Dalam sistem termokimia, terjadinya suatu reaksi dapat dilihat dari besarnya  perubahan energi bebasnya. Bagaimana dengan reaksi oksidasi biologi ini bila dikaitkan dengan besarnya perubahan energi bebas yang terjadi? Hubungan antara reaksi oksidasi dan reduksi sistem biologis dengan perubahan energi bebas dapat diketahui dengan melihat perubahan nilai potensial redoks ∆E reaksi tersebut. Reaksi redoks dengan ∆E positif akan mempunyai nilai ∆G yang negatif dan akan berlangsung dari kiri ke kanan (reaktan ke produk). 1. Potensial Redoks Standar Potensial redoks  E   merupakan ukuran kekuatan mengoksidasi atau mereduksi secara kuantitatif. Nilai E   suatu atom atau molekul pada kondisi 12

standar (25oC, 1 atm, dan 1 M reaktan) disebut sebagai potensial reduksi standar  E 0. Nilai  E 0  mungkin berbeda dari yang ditemukan di dalam sel, mengingat konsentrasi reaktan di dalam sel tidak selalu sebesar 1 M. Potensial redoks diukur dalam satuan Volt (V). Oksidator kuat memiliki nilai potensial redoks positif, sementara reduktor kuat memiliki nilai potensial redoks negatif. Potensial redoks positif  berarti atom, ion, atau moekul tersebut mempunyai afinitas lebih besar terhadap elektron dibandingkan dengan ion H +  pada reaksi standar. Sebaliknya, nilai potensial reduksi di bawah nol berarti senyawa tersebut mempunyai afinitas yang rendah terhadap elektron. Pada reaksi redoks, elektron akan berpindah secara spontan ke arah senyawa yang mempunyai nilai potensial redoks positif, yaitu dari reduktor ke oksidator. Proses perpindahan elektron menyebabkan reduktor mengalami  peristiwa oksidasi dan oksidator mengalami peristiwa reduksi. Reaksi transfer elektron biasa dideskripsikan sebagai gabungan dua reaksi setengah reaksi, satu untuk oksidasi spesi tereduksi dan reduksi spesi oksigen. 2. Hubungan Energi Bebas Gibbs dengan Potensial Redoks Pada reaksi redoks, total perubahan potensial listr ik (voltage change)  ∆ E  adalah penjumlahan dari perubahan potensial reduksi dari suatu proses reduksi dan oksidasi. Mengingat bahwa semua bentuk energi bisa dikonversikan,  ∆ E  dapat diekspresikan sebagai perubahan energi bebas kimia 23  ∆G. Muatan pada 1 mol elektron (6,02 x 10 ) adalah 96.500 Joule per Volt (Coulomb), dikenal sebagai konstanta Faraday . Hubungan antara energi  bebas dengan potensial reduksi dirumuskan sebagai:

ℱ

 =∆= 9.5∆ = 23,0 64∆ ∆    .1

(1)

dimana n  adalah jumlah elektron yang ditransfer dan 4,184 adalah faktor konversi dari J ke cal. Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa reaksi redoks dengan  ∆ E   positif akan mempunyai nilai  ∆G yang negatif dan akan  berlangsung dari kiri ke kanan (reaktan ke produk). Seperti yang telah diketahui, bisa atau tidaknya suatu reaksi berjalan ditentukan oleh perubahan energi bebas Gibbs  ∆G. Saat ∆G suatu reaksi  bernilai negatif (GB < GA), terjadi pelepasan energi bebas sehingga reaksi akan berlangsung secara spontan dan bersifat eksergonik. Sebaliknya, jika nilai ∆G suatu reaksi bernilai positif (GB > GA), maka reaksi tersebut  berlangsung secara tidak spontan karena membutuhkan asupan energi bebas, serta bersifat endergonik. Jika dihubungkan dengan nilai potensial redoks menurut rumus persamaan (1), reaksi redoks hanya akan berjalan spontan  pada saat nilai potensial redoks bernilai positif. Tabel 1. Nilai potensial standar E 0 dan nilai energi bebas standar ∆Go beberapa reaksi redoks pada sistem biologis

13

(sumber: chegg.com)

2.1.4.  Nomor 4 Bagaimana anda menurunkan suatu persamaan kesetimbangan kimia dari  perubahan energi bebas Gibbs dalam suatu reaksi biokimia yang terjadi? Sebagaimana diketahui bahwa membran memiliki sifat selektif  permeabilitas. Dengan kata lain, ion tertentu dapat melewati membran dengan mudah sedangkan beberapa ion tertentu lebih sulit atau bahkan tidak dapat melewati membran sel. Hal ini dikarenakan komposisi ionik antara daerah intraseluler dan ekstraseluler sangat berbeda. Dengan demikian, persamaan NernstPlanck adalah ekspresi yang sesuai untuk pemeriksaan aliran ion melintasi membran biologis. Hasil difusi diakumulasi dalam muatan positif pada e (gaya elektrostatik di dalam muatan membran), meninggalkan kelebihan muatan negatif yang sama  besarnya pada i (berada pada sisi membran akibat gaya elektrostatik). Hasilnya adalah perbedaan potensial, Vm, terkait dengan muatan AP + oleh kapasitansi membran Cm (mana Vm = AP + / Cm). Untuk ketebalan membran d ada juga medan listrik E = Vm / d = AP + / (Cd). Medan listrik diarahkan dari e dengan i, dan itu jelas meningkat besarnya sebagai AP + yang berdifusi dari i ke e. Meningkatnya medan listrik semakin menghalangi difusi lebih lanjut sampai tercapainya kesetimbangan. Kesetimbangan medan listrik (dari e dengan i) hanya menyeimbangkan kekuatan difusi (dari i ke e). (2)

(3) 14

Karenanya (4) Jumlah bervariasi dalam koordinat tegak lurus terhadap membran saja. Koordinat x kemudian disederhanakan menjadi (5) Kemudian ditata ulang menjadi (6) Kita dapat mengintegrasikan (6) melintasi membran dari kompartemen e ke kompartemen i (7) Hasilnya menjadi (8) Dengan demikian perbedaan potensial pada kesetimbangan membran, dengan

 sama (9)

dimana potensial transmembran telah didefinisikan sebagai intraseluler (i) dikurangi ekstraseluler (e). Koefisien numerik berikut menggantikan RT/F pada persamaan (9) untuk kasus yang dipilih untuk T berada pada suhu dingin (17 o C) (10) atau, menggunakan basis 10 logaritma, (11) Potensial ion nernst adalah Vm dirumuskan oleh persamaan ini. Ketika ion p adalah equilibrium, potensi Nernst adalah tegangan transmembran. Berbagai turunan  persamaan Nerst diantanya adalah

15

(12) (13) (14)

Penurunan persamaan energi bebas gibbs dalam reaksi biokimia Ketika suatu reaksi kimia terjadi dalam sebuah sistem, perubahan dalam jumlah ni dari spesies tidak bersifat independen dikarenakan oleh stoikiometri reaksi yang terjadi. Suatu reaksi kimia tunggal dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi Ketika suatu reaksi kimia terjadi dalam sebuah sistem, perubahan dalam jumlah ni dari spesies tidak bersifat independen dikarenakan oleh stoikiometri reaksi yang terjadi. Suatu reaksi kimia tunggal dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi

(15) dimana Bi menyatakan spesies i dan Ns adalah jumlah spesies yang berbeda. Reaksi kimia menyeimbangkan atom-atom unsur dan muatan listrik. Bilangan stoikiometri vi positif untuk produk dan negatif untuk reaktan. Dalam sistem biologis, perubahan energi bebas standar ΔGo  lebih banyak  berperan sebagai faktor bioenergetika, di mana keadaan standar ditandai oleh pH 7, suhu 37oC serta konsentrasi reaktan dan produk adalah 1 molar (mol/L). Cara yang paling banyak digunakan untuk menentukan ΔG yaitu berdasarkan tetapan (konstanta) kesetimbangan reaksi: aA + bB  cC + dD Tetapan a, b, c, d adalah jumlah zat A B C D yang berpartisipasi dalam sis tem yang sedang berlangsung, sehingga energi bebas (ΔG) dapat diturunkan dari persamaan

 ⇌

(16) R adalah tetapan gas ideal yang setara dengan 8,315 J/mol.K atau 1,98 kal/mol.K, T adalah suhu absolut (˚C + 273) = 298 K, ln adalah logaritma alami dan ΔGo adalah energi bebas standar. Persamaan ini mirip dengan persamaan HendersonHasselbalch, ΔG dan ΔGo  ~ pH dan pK. Bila pH sama dengan pK, dan pada keadaan konsentrasi asam lemah yang terionisasi sama dengan yang tidak terionisasi, maka telah terjadi kesetimbangan. Kesetimbangan yang diperoleh jika ΔG = 0 adalah sebagai berikut (17)

(18)

16

2.2 Aspek Termodinamika dalam Proses Pengikatan Oksigen oleh Hemoglobin 2. 2. 1  Nomor 1 Kehidupan makhluk hidup tinggi tergantung secara absolut dengan adanya suplai oksigen untuk proses respirasi. Menurut anda, adakah proses oksidasi biologi yang dapat berlangsung tanpa adanya oksigen? Dari hasil LTM yang kami kerjakan, ada proses oksidasi biologi yang dapat  berlangsung tanpa adanya oksigen yaitu respirasi anaerob. Di dalam sistem biologi sel makhluk hidup, reaksi oksidasi reduksi berperan dalam reaksi-reaksi yang menghasilkan energi. Contohnya pada oksidasi glukosa menjadi CO 2, air, dan energi. Proses oksidasi reduksi ini dapat berlangsung secara anaerob maupun aerob. Pada keadaan anaerob reaksi berlangsung tanpa adanya oksigen sebagai  penerima akhir elektron atau hidrogen. 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 CO 2 dan etanol. Pada keadaan aerob reaksi berlangsung dengan menggunakan oksigen sebagai  penerima akhir elektron atau hidrogen. 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 CO2. 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 sistem 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 energi dari molekul gula 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 hidrogen adalah H 2O. kedua molekul itu sesungguhnya berada dalam keadaan stabil dan membutuhkan energi aktifasi agar dapat mencapai konfigurasi yang lebih stabil. 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 molekulmolekul 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 17

sel. Didalam sel yang sedang bernafas secara aerobik oksidasi menjadi asetil koenzim A dan CO 2. Oksidasi dalam tahap ini memerlukan 3 kelompok enzim. 1) Kelompok piruvat dehidrogenase mengoksidasi dan mengadakan dekarboksilasi oksidatif menjadi suatu bentuk asetat yaitu tioester asetil CoA 2) Daur krebs asam trikarboksilat mengoksidasi karbon menjadi CO 2  dan membentuk NADH dan FADH 2 3) Rantai pernapasan dari enzim pemindah e lektron mengoksidasi kembali koenzim NADH dan FADH 2  yang telah diproduksi oleh reaksi-reaksi

dehidrogenase dari katabolisme. Respirasi Anaerob Respirasi anaerob merupakan salah satu proses katabolisme yang tidak menggunakan oksigen bebas sebagai penerima atom hidrogen (H) terakhir, tetapi menggunakan senyawa tertentu (seperti: etanol dan asam laktat). Asam piruvat yang dihasilkan pada tahapan glikolisis dapat dimetabolisasi menjadi senyawa yang berbeda (ada/tersedianya oksigen atau tidak). Pada kondisi aerobik (tersedia oksigen) sistem enzim mitokondria mampu mengkatalisis oksidasi asam piruvat menjadi H2O dan CO 2 serta menghasilkan energi dalam bentuk ATP ( Adenosine Tri Phosphat ). Pada kondisi anaerobik (tidak tersedia oksigen), suatu sel akan dapat mengubah asam piruvat menjadi CO2 dan etil alkohol serta membebaskan energi (ATP). Atau oksidasi asam piruvat dalam sel otot menjadi CO 2  dan asam laktat serta membebaskan energi (ATP). Bentuk proses reaksi yang terakhir disebut, lazim dinamakan fermentasi. Proses ini juga melibatkan enzim-enzim yang terdapat di dalam sitoplasma sel. Pada respirasi anaerob, tahapan yang ditempuh meliputi : 1) Tahapan glikolisis, dimana 1 molekul glukosa (C 6) akan diuraikan menjadi asam piruvat, NADH dan 2 ATP 2) Pembentukan alkohol (fermentasi alkohol), atau pembentukan asam laktat (fermentasi asam laktat) 3) Akseptor elektron terakhir bukan oksigen, tetapi senyawa lain (alkohol, asam laktat) 4) Energi (ATP) yang dihasilkan sekitar 2 ATP Beberapa proses reaksi yang berlangsung secara anerob (respirasi anaerob): 1. Fermentasi Alkohol Proses ini terjadi pada beberapa mikroorganisme seperti jamur (ragi), dimana tahapan glikolisis sama dengan yang terjadi pada respirasi aerob. Setelah terbentuk asam piruvat (hasil akhir glikolisis), asam piruvat mengalami dekarboksilasi (sebuah molekul CO2  dikeluarkan) dan dikatalisis oleh enzim alkohol dehidrogenase menjadi etanol atau alkohol dan terjadi degradasi molekul NADH menjadi NAD +  serta membebaskan energi/kalor. Proses ini dikatakan sebagai pemborosan karena sebagian besar energi yang terkandung dalam molekul glukosa masih tersimpan di dalam alkohol. Itulah sebabnya, alkohol/etanol dapat digunakan sebagai bahan bakar. Fermentasi alkohol pada

18

mikroorganisme merupakan proses yang berbahaya bila konsentrasi etanolnya tinggi. Reaksi fermentasi alkohol dapat ditulis sebagai:

2 → 2

2  28 

Asam Piruvat Etanol/Alkohol 2. Fermentasi Asam Laktat Pada sel dan manusia terutama pada sel-sel otot yang bekerja keras , energi yang tersedia tidaklah seimbang dengan kecepatan pemanfaatan energi karena kadar O2 yang tersedia tidak mencukupi untuk kegiatan respirasi aerob (reaksi yang membutuhkan oksigen). Proses fermentasi asam laktat dimulai dari lintasan glikolisis yang menghasilkan asam piruvat. Hal ini karena tidak tersedianya oksigen maka asam piruvat akan mengalami degradasi molekul (secara anaerob) dan dikatalisis oleh enzim asam laktat dehidrogenase dan direduksi oleh NADH untuk menghasilkan energi dan asam laktat. Secara sederhana reaksi fermentasi asam laktat ditulis sebagai berikut.

2

→

2  47 

Asam Piruvat Asam Laktat Pada manusia, kejadian ini sering temukan ketika seseorang bekerja atau  berolahraga berat/keras. Akibat kekurangan oksigen menyebabkan asam piruvat yang terbentuk dari tahapan glikolisis akan diuraikan menjadi asam laktat.yang menyebabkan timbulnya rasa pegal-pegal setelah seseorang bekerja/berolahraga  berat/keras. 2. 2. 2  Nomor 2 Bagaimana mekanisme pengikatan oksigen oleh hemoglobin? Mekanisme pengikatan dan pelepasan oksigen oleh hemoglobin yang terjadi di dalam paru-paru merupakan reaksi kesetimbangan yang mengikuti persamaan: Hb + O2  HbO2 Reaksi kesetimbangan tersebut akan berjalan ke arah kanan menghasilkan produk (HbO2) seiring pertambahan konsentrasi oksigen selama proses pernapasan. Masing-masing molekul Hb akan mengikat maksimal 4 molekul oksigen pada gugus prostetik heme. Hemoglobin hanya dapat mengikat molekul oksigen pada keadaan relaxed (R) karena afinitas terhadap oksigen jauh lebih tinggi. Hemoglobin (Hb) merupakan protein pengangkut oksigen yang terkandung di dalam sel darah merah (eritrosit) hewan bertulang belakang. Hb bertugas membawa oksigen dari paru-paru ke seluruh tubuh. Pada tubuh manusia, konsentrasi rata-rata hemoglobin adalah 16 gram per 100 mL sel darah merah. Hb disusun oleh empat rantai polipeptida, yaitu dua rantai alfa globin ( α; 145 asam amino residu) dan dua rantai beta globin (β; 146 asam amino residu). Subunit α dan β bersifat homolog dan mempunai struktur tiga dimensi yang mirip. Masingmasing polipeptida mempunyai gugus prostetik heme, dimana masing-masing heme bisa berikatan dengan satu molekul oksigen. Jadi, satu protein Hb dapat mengikat empat molekul oksigen sekaligus. Saat darah melewati paru-paru, hemoglobin dapat membawa oksigen karena meningkatnya tekanan oksigen (pO 2  dapat mencapai 100 torr) pada pembuluh

⇌

19

darah kapiler di paru-paru. Oksigen ini dilepaskan ke bagian-bagian tubuh lain karena tekanan oksigen pada jaringan tubuh lebih rendah (pO 2 sekitar 20 torr).

Gambar 7. Struktur Hemoglobin (sumber: namrata.co)

Gugus prostetik heme pada hemoglobin mengandung komponen organik  protoporphyrin dan atom besi (Fe) pada bagian tengahnya. Pada keadaan normal,  besi berada dalam keadaan teroksidasi Fe 2+ ( ferrous). Saat besi berikatan dengan oksigen, gugus heme akan menghasilkan warna merah, sementa ra jika kekurangan oksigen (bentuk terdeoksigenasi), gugus heme akan berwarna biru-merah.

Gambar 8. Heme yang terdeoksigenasi dan teroksigenasi (sumber: www.chemistry.wustl.edu)

1. Mekanisme Pengikatan dan Pelepasan Oksigen oleh Hemoglobin Hemoglobin mempunyai struktur kuartener yang terdiri dari empat subunit α dan β yang membentuk alfa helikase. Pada bagian tengah tiap subunit , terdapat gugus heme yang mengandung atom besi (Fe) yang terletak di tengah cincin heterosiklik  porphyrin, yaitu tempat dimana pengikatan oksigen berlangsung. Struktur tiga dimensi dari hemoglobin dapat dideskripsikan sebagai pasangan identik dimer β (β1  dan β2) yang berasosiasi membentuk tetramer hemoglobin. Pada kondisi teroksidasi, ion besi akan membentuk dua rantai tambahan pada masing-masing sisi heme (binding site) yang disebut sebagai situs koordinasi kelima dan keenam ( fifth and sixth coordination sites). Pada hemoglobin yang tidak berikatan dengan oksigen (deoksihemoglobin), proses pengikatan oksigen  pada situs keenam menyebabkan penyusunan kembali elektron-elektron ion  besi. Penyusunan ulang ini menyebabkan ion besi menjadi lebih kecil dan lebih 20

mudah berpindah ke  plane dari  porphyrin. Perubahan struktural yang terjadi menyebabkan oksigen bisa terikat dengan hemoglobin membentuk oksihemoglobin. Protein yang mengandung hemoglobin memiliki dua kemungkinan keadaan, yaitu relaxed (R) dan tensed (T). Keduanya berbeda dalam afinitas pengikatan oksigen, dimana keadaan R memiliki afinitas yang lebih besar. Pada keadaan R, ion besi pada cincin  porphrin lebih mudah berikatan dengan oksigen. Hemoglobin dapat berubah dari keadaan T ke R  –  dan sebaliknya, akibat rotasi antar dimer sebesar 15 derajat. Rotasi ini menyebabkan perubahan ikatan antara dua dimer serta menyebabkan perubahan posisi dimer pada bagian tengah gugus heme. Transformasi ini terjadi ketika hemoglobin sampai di paru-paru yang kadar oksigennya tinggi. Oksigen awalnya berikatan dengan keadaan T, lalu menyebabkan rotasi dimer yang membuat oksigen lebih mudah berikatan dengan gugus heme. Keadaan R terbentuk saat oksigen yang telah terikat dilepaskan oleh hemoglobin saat proses transpor oksigen ke jaringan-jaringan tubuh dengan konsentrasi oksigen yang lebih rendah. Pelepasan molekul oksigen dari salah satu gugus heme dapat menyebabkan dimer kembali mengalami rotasi menjadi keadaan T yang sulit menerima oksigen. Keadaan ini membuat proses pelepasan molekul oksigen ke-dua dan ke-tiga dari hemoglobin ke jaringan-jaringan tubuh menjadi lebih mudah. 2. Afinitas Hemoglobin Terhadap Oksigen Faktor utama yang menentukan seberapa banyak oksigen yang terikat ke hemoglobin adalah tekanan parsial oksigen (pO 2) pada hemoglobin di dalam darah. Jumlah maksimum oksigen yang bisa dibawa oleh darah ditentukan oleh  jumlah hemoglobin. Pada paru-paru, Hb hampir mencapai keadaan jenuh saat 98% situs pengikatan oksigen berikatan dengan molekul oksigen. Saat Hb  berpindah ke jaringan- jaringan tubuh, tingkat kejenuhan menurun hingga 32% yang menandakan bahwa 66% oksigen telah terlepas dari Hb. Dari kurva disosiasi oksigen (Gambar 6), dapat dilihat bahwa seiring peningkatan tekanan  parsial O2, semakin banyak oksigen yang diikat oleh hemoglobin. Afinitas hemoglobin dapat dipengaruhi oleh faktor-faktor lain, seperti pH dan konsentrasi CO2 dalam darah, serta temperatur. Penurunan pH dari 7,4 ke 7,2 (menjadi lebih asam) akan mengurangi afinitas HbO 2 yang mengakibatkan  pelepasan O2 dari oksihemoglobin, sementara itu kenaikan tekanan parsial CO 2 dari 0 ke 40 torr juga mengurangi afinitas oksihemoglobin. Kedua hal ini  berhubungan, megingat kenaikan konsentrasi CO 2 dalam darah menyebabkan  penurunan pH darah sebagai hasil dari peningkatan konsentrasi ion hidrogen dalam darah. Penurunan pH menyebabkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen berkurang dan menghasilkan efek yang disebut sebagai  Bohr shift . Kenaikan temperatur pada sistem dan lingkungan juga dapat menyebabkan  penurunan afinitas hemoglobin terhadap oksigen. Selain itu, sebuah molekul alosterik yang bisa berikatan dengan hemoglobin juga berpengaruh pada afinitas oksigen, molekul tersebut adalah 2,3-diphosphoglutarate (DPG). DPG hanya dapat berikatan dengan hemoglobin pada keadaan T dan afinitas oksigennya 21

akan berkurang. Hasilnya, hemoglobin akan sulit berubah dari keadaan T ke keadaan R akibat kurangnya afinitas oksigen.

Gambar 9. Kurva disodiasi oksigen (sumber: www.boundless.com)

2. 2. 3  Nomor 3 Bagaimana perubahan energi bebas Gibbs pada proses tersebut? Dan bagaimana  pengaruh pH pada proses dan pada nilai perubahan energi bebas Gibbs tersebut? Kriteria termodinamika untuk perubahan spontan pada suhu dan tekanan konstan adalah ΔG  < 0. Konsep dasar dari pernyataan tersebut adalah bahwa ―pada suhu dan tekanan konstan, campuran reaksi cenderung menyesuaikan komposisinya hingga energi Gibbs nya minimum‖. Konsep tersebut paling tepat diaplikasikan pada fenomena pengikatan O 2  (g) oleh protein hemoglobin (Hb) dalam darah:

   4  → 

Terdapat dua cara untuk menginterpretasikan Δr G. Pertama, energi Gibbs reaksi adalah selisih potensial kimia produk dan reaktan pada komposisi tertentu dari suatu campuran reaksi. Kedua, energi Gibbs reaksi adalah turunan dari G terhadap n, yang merupakan kemiringan grafik G yang diplot terhadap perubahan komposisi sistem. Perubahan kemiringan selama reaksi berlangsung terjadi karena kedua perubahan potensial kimia akibat perubahan komposisi pada campuran reaksi. Pada proses pengikatan oksigen oleh hemoglobin, saat jumlah Hb berubah sebesar -dn, dari stoikiometri reaksi maka perubahan jumlah O2 adalah sebesar 4dn dan perubahan jumlah Hb(O 2)4 adalah sebesar +dn. Perubahan energi Gibbs keseluruhan dari campuran reaksi tersebut adalah:   (19)   

=             4 =(    4) 

(20)

dimana notasi μJ merupakan potensial kimia dari spesies-spesies dalam campuran reaksi. Pada kasus ini, oleh sebab itu ener gi Gibbs reaksi adalah:

∆  =   = (    4 ) 

(21)

Hemoglobin vertebrata merupakan protein tetramer, α2β2; dapat dianggap sebagai dimer dari αβ heterodimer. Kemampuan hemoglobin berikatan dengan oksigen bergantung tidak hanya pada struktur protein dan oksigen tetapi juga pada 22

tekanan parsial oksigen. Pada hemoglobin, tingkat pengangkutan oksigen pada situs pengikatan protein mempengaruhi afinitas situs pengikatan lainnya untuk mengikat oksigen. Energi Gibbs bebas standar untuk disosiasi hemoglobin normal vertebrata adalah sebesar 8,2 kkal/mol hemoglobin. Keadaan tetramer hemoglobin menunjukkan keadaan energi bebas yang lebih rendah dibandingkan keadaan dimer. Pengikatan oksigen terjadi karena keadaan terikat memiliki energi bebas Gibbs yang lebih rendah dibandingkan keadaan tidak terikat. Gaya penggerak (driving force) untuk pengikatan oksigen menjadi lebih besar ketika oksigen terlarut dibandingkan tidak terlarut. Pengaruh pH pada proses Pengikatan O2 oleh Hb dan Perubahan Energi Gibbsnya Pada prinsipnya, kondisi asam (pH rendah) dalam darah merepresentasikan tingginya tingkat atau kadar proton (H+) dalam darah. Pengikatan proton oleh hemoglobin menyebabkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen menurun. pH darah menurun sewaktu darah masuk ke dalam jaringan (dan konsentrasi proton meningkat) karena karbon dioksida yang dihasilkan oleh metabolisme diubah menjadi asam karbonat oleh reaksi yang dikatalisis oleh karbonat anhidrase di dalam sel darah merah. Penguraian asam karbonat menghasilkan proton yang  bereaksi dengan beberapa residu asam amino pada hemoglobin, sehingga terjadi  perubahan konformasional yang mendorong pelepasan oksigen.

Gambar 10. Efek pH pada kurva saturasi oksigen. Seiring dengan penurunan pH, afinitas hemoglobin terhadap oksigen menurun, menimbulkan efek Bohr (sumber : Marks DB, et al. 1996.  Biokimia kedokteran dasar )

Metabolisasi jaringan tubuh yang bekerja cepat memerlukan kadar oksigen yang tinggi, dan dengan demikian diperlukan pelepasan oksigen lebih banyak dari oksihemoglobin ke sel-sel jaringan ini. Dalam jaringan ini terjadi pembentukan karbondioksida secara cepat yang berasal dari oksidasi bahan bakar seperti glukosa. Hal ini menyebabkan peningkatan konsentrasi proton (penurunan pH) melalui reaksi berikut:

    ↔−  +

23

Deoksihemoglobin mempunyai afinitas lebih besar untuk proton dibandingkan dengan oksihemoglobin, sehingga pengikatan proton bersaing dengan pengikatan oksigen (meskipun pada tapak yang berbeda):

  2+ ↔+  4

Efek ini yang dikenal dengan efek Bohr, timbul karena pKa gugus pengionisasi yang sedikit lebih tinggi dalam deoksihemoglobin. Penurunan pH dari 7,6 ke 7,2 dapat memperbanyak jumlah oksigen yang dilepaskan dalam jaringan tubuh sebanyak hampir dua kali. Di paru, proses ini berbalik. Oksigen berikatan dengan hemoglobin, menyebabkan pelepasan proton yang berikatan dengan bikarbonat untuk membentuk asam karbonat. Penurunan proton menyebabkan pH darah meningkat. Karbonat anhidrasi memecah asam karbonat menjadi karbondioksida dan air, dan karbondioksida dikeluarkan melalui napas. Dengan demikian, di  jaringan dimana pH darah rendah karena dihasilkan karbondioksida melalui metabolisme, terjadi pelepasan oksigen dari hemoglobin. Di paru, dimana pH darah lebih tinggi karena karbondioksida dikeluarkan melalui napas, oksigen berikatan dengan hemoglobin. Tabel 2. Analisis empat tahap pengikatan O2 oleh hemoglobin manusia

(sumber: chegg.com)

2. 2. 4  Nomor 4 Apa yang anda ketahui tentang perubahan sifat-sifat termodinamika dalam suatu reaksi biokimia? Dalam termodinamika, dikenal berbagai sifat/ properties. Sifat-sifat ini antara lain adalah entalpi, entropi, perubahan energi Gibbs, kompresibilitas, dan potensial kimiawi. Beberapa dari sifat ini pasti akan mengalami perubahan dan menentukan arah jalannya reaksi dan proses lain yang berkaitan. Hal ini karena reaksi biokimia, sama seperti reaksi kimia lainnya, juga melibatkan perubahan energi pada sistem dan lingkungannya. Namun, yang membedakannya adalah bahwa pada reaksi  biokimia, energi tidak ditransfer dengan menggunakan kalor dan kerja. Hal lainnya

24

adalah bahwa pada reaksi biokimia, sifat reaksinya adalah isotermis atau suhunya tetap. Hal ini mengakibatkan pada reaksi biokimia tidak ada perubahan energi dalam serta entalpi ‘ sensible heat ’ dari tiap reaktannya. Sifat-sifat termodinamika yang menggambarkan terjadinya perubahan energi dalam suatu reaksi biokimia di antaranya adalah energi bebas Gibbs, entalpi, dan entropi. Dalam kondisi pada sistem biologi (termasuk suhu dan tekanan konstan),  perubahan energi bebas, entalpi, dan entropi secara kuantitatif terkait satu sama lain dengan persamaan:   (22) Dimana ΔG adalah perubahan energi bebas Gibbs, ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu (terlihat bahwa suhu bernilai konstan —isotermis), sementara ΔS adalah perubahan entropi. Penjabaran beberapa sifat termodinamika dalam tinjauan sistem biokimia akan dibahas berikutnya secara lebih rinci, dengan penambahan penjelasan mengenai sifat termodinamika tersebut apabila ditinjau dari sistem reaksi kimia yang dihubungkan dengan pengaruhnya terhadap suhu. 1. Energi Bebas Gibbs (ΔG) Energi bebas Gibbs (ΔG) mengungkapkan jumlah energi yang diperlukan atau dilepaskan untuk melakukan pekerjaan dalam reaksi dengan suhu dan tekanan konstan. Ketika reaksi tersebut berjalan dengan pelepasan energi bebas, dimana ketika perubahan sistem sehingga kurang memiliki energi bebas, maka ΔG bernilai negatif dan reaksi dikatakan eksergonik. Dalam reaksi endergonik, keuntungan sistem energi bebas dan ΔG adalah positif. Reaksi bebas Gibbs yang selama ini dikenal hanya membahas mengenai energi bebas yang mungkin dikeluarkan atau perlu ditambahkan dalam suatu reaksi. Namun, terdapat satu lagi kuantitas yang berhubungan dengan energi  bebas Gibbs yang berubah berdasarkan reaksi biokimia yang terjadi. Kuantitas ini disebut energi bebas Gibbs reaksi (ΔGο). Kuantitas ini analog dengan entalpi reaksi, yang membedakan hanyalah bahwa pada energi bebas Gibbs, yang diukur adalah perubahan energi bebas Gibbsnya. Untuk menentukan nilai perubahan energi bebas ∆G dalam suatu rekasi  biokimia dapat dilakukan dengan menghitung nilai ∆Go  (perubahan energi

ΔG = ΔH – TΔS

 bebas standar). Hubungan antara G° dan G pada suhu dan tekanan yang tetap ditunjukkan dengan persamaan  berikut untuk suatu reaksi aA+bB ↔ cC+dD: G = G° + RT 1n K G = G° + RT 1n

+ + 

(23) (24)

dengan K merupakan konstanta kesetimbangan. Pada reaksi biokimia, nilai entropi total selalu meningkat. Sementara itu untuk reaksi biokimia, nilai entalpi reaksi dan energi bebas reaksi adalah tergantung pada jenis reaksi yang terjadi. Dalam keadaannya di suatu reaksi kimia, energi bebas Gibbs dapat dikaitkan dengan perubahan temperatur. Diketahui bahwa persamaan energi  bebas Gibbs adalah sebagai berikut: 25

∆=∆∆ 

(25) Energi bebas Gibbs seperti diketahui digunakan untuk mengetahui kespontanan dari suatu reaksi. Pada umumnya, suatu reaksi akan lebih spontan ketika suhu meningkat. Suatu reaksi akan menjadi lebih spontan apabila nilai energi bebasnya negatif. Oleh karena itu, dapat diduga bahwa secara umum nilai energi bebas Gibbs akan menurun (menjadi negatif) apabila suhu dinaikkan. 2. Entropi Reaksi Entropi (ΔS) adalah ekspresi kuantitatif untuk ketidakaturan atau gangguan dalam suatu sistem. Ketika produk reaksi kurang kompleks dan lebih teratur daripada reaktan, reaksi dikatakan bisa untuk melanjutkan dengan memperoleh entropi. Suatu reaksi hanya dapat berlangsung spontan jika  perubahan entropi total adalah positif. Kenyatannya adalah entropi total dari suatu sistem adalah selalu positif. Bahkan untuk reaksi biokimia yang isoterm, walaupun tidak terjadi perubahan suhu yang meningkatkan keacakan  pergerakan molekul, namun dalan reaksi biokimia tidak ada satu pun reaksi yang efisien 100%. Contohnya, pembakaran glukosa hanya punya efisiensi sekitar 36%. Oleh karena itu, berdasarkan hukum Termodinamika II, bahwa setiap reaksi yang tidak 100% efisien akan menghasilkan energi yang terbuang sebagai entropi. Sehingga, semua reaksi biokimia pasti meningkatkan entropi total, baik entropi sistem ataupun lingkungan. Dalam tinjauan suatu reaksi kimia, entropi dari suatu sistem akan meningkat seiring penambahan temperatur sistem. Secara sedehana hal ini disebabkan oleh suatu alasan yang sama dengan efek kenaikan temperatur pada energi dalam dan entalpi, yaitu peningkatan kecepatan atau kelajuan dari molekul-molekul sistem. Disamping meningkatkan energi kinetik dari molekul yang secara general meningkatkan energi dalam sistem, penambahan suhu ini  juga meningkatkan keacakan dari gerak tiap molekul. Ketika suhu dinaikkan, molekul-molekul berotasi dan bervibrasi kian acak. Keacakan yang meningkat sekaligus juga berarti meningkatkan entropi sistem, karena entropi berarti keacakan sistem. Dari persamaan berikut dapat dilihat bahwa nilai entropi (ΔS) adalah berbanding lurus dengan nilai ln T 2/T1.  (26)   Hal ini punya pengertian bahwa nilai ΔS akan meningkat bila suhu akhir (T2)  juga ikut naik. 3. Entalpi Reaksi Entalpi (ΔH) adalah konten panas dari sistem yang bereaksi. Entalpi dihubungkan dengan reaksi kimia spesifik tergantung pada temeratur dari reaktan dan produk. Hal ini mencerminkan jumlah dan jenis ikatan kimia di reaktan dan produk. Ketika reaksi melepaskan panas, reaksi dikatakan eksotermis, konten panas dari produk yang kurang dari reaktan dan memiliki ΔH dengan konvensi sebuah nilai negatif. Sistem yang reaksinya menerima  panas dari lingkungan, bersifat endotermis, dan memiliki nilai-nilai positif ΔH.

∆=ln

26

Dikenal berbagai macam entalpi, di antaranya adalah entalpi pembentukan (ΔHf ) dan entalpi pembakaran (ΔHc). Walaupun dalam reaksi biokimia tidak merubah nilai entalpi ‘ sensible heat ’, namun, entalpi reaksinya berubah. Hal ini karena dalam reaksi biokimia  pasti dihasilkan produk atau senyawa yang memiliki entalpi pembentukan standar yang berbeda dengan entalpi reaktan awal. Persamaan entalpi reaksi adalah sebagai berikut: (27)     

∆ = ∆

 ∆

Perubahan entalpi oleh reaktan ini mengakibatkan nilai entalpi reaksi selalu  berubah, termasuk untuk reaksi biokimia yang isotermis. Dalam tinjauannya untuk suatu reaksi kimia, entalpi dapat dikaitkan dengan suhu. Diketahui bahwa energi dalam (U) dari suatu sistem akan meningkat beserta dengan peningkatan suhu. Hal ini terjadi karena ketika suhu meningkat, maka energi kinetik dari tiap molekul menjadi meningkat. Hal ini diakibatkan karena ketika suatu zat dipanaskan, maka tiap molekul akan  bergerak lebih kencang sehingga memiliki energi kinetik yang lebih tinggi. Hal ini dapat dibuktikan secara matematis dengan persamaan:

∆= ∫   

(28) Dari persamaan tersebut terlihat bahwa ΔU akan positif (energi dalam meningkat) jika suhu naik. Begitu juga dengan entalpi suatu reaksi. Pada suatu reaksi yang menaikkan suhu sistem, perubahan entalpi produk akan meningkat. Seperti yang terlihat pada persamaan entalpi sensible heat  berikut:

∆= ∫  

(26)

2. 2. 5  Nomor 5 Bagaimana menentukan pengaruh temperatur terhadap sifat-sifat termodinamika dalam suatu reaksi biokimia? 1. Sifat-sifat Termodinamika Setiap karakteristik dari sebuah sistem disebut sifat ( property). Beberapa sifat yang sering diketahui adalah tekanan ( pressure), suhu (temperature), volum (volume), dan massa (mass). Beberapa sifat tersebut dapat diturunkan menjadi beberapa sifat lain, yaitu viskositas, konduktivitas termal, modulus elastisitas, koefisien ekspansi termal, resistansi elektrik, kecepatan, dan elevasi. Sifat-sifat dari sistem dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu intensif (intensive) dan ekstensif (extensive). a. Sifat Intensif Sifat intensif (intensive property) tidak dapat di akumulasikan seperti sifat ekstensif. Nilai sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran sistem dan dapat bervariasi di setiap bagian sistem pada waktu yang berbeda. Dengan demikian, sifat intensif merupakan sifat posisi fungsi waktu. Volume spesifik, tekanan dan temperatur adalah contoh sifat intensif yang digunakan. Suatu sifat intensif sistem adalah sifat-sifat yang sama dengan sifat-sifat yang

27

 bersesuaian dengan masing-masing subsistem tersebut. Suhu dan tekanan adalah sifat-sifat intensif yang khas; jika suatu sistem pada 298 K dibagi dua, suhu masing-masing bagian akan tetap 298 K.  b. Sifat Ekstensif Keadaan termodinamika adalah keadaan makroskopik dari suatu sistem di mana sifat-sifatnya hanya ditentukan oleh peralatan laboratorium yang menjaga sifat-sifat tersebut pada nilai tertentu yang dipilih dan tidak tergantung pada waktu. Sifat Termodinamika dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu sifat ekstensif dan sifat intensif. Sifat ekstensif (extensive property)  jika nilai dan keseluruhan sistem merupakan penjumlahan nilai dari setiap  bagian yang menyusun sistem tersebut. Nilai sifat ekstensif yang terukur  bergantung pada seberapa banyak materi yang diukur. Massa, panjang dan volume adalah sifat-sifat ekstensif. Semakin  banyak materi, semakin besar massanya. Nilai-nilai dari sifat ekstensif dapat di jumlahkan. Misalnya, dua keping uang logam mempunyai gabungan yang merupakan jumlah dari masing-masing keping uang itu, dan volume yang ditempati air dalam dua buah gelas merupakan jumlah dari volume air di tiap gelas tersebut. Sistem adalah bagian dari alam yang menjadi pusat perhatian langsung dalam eksperimen tertentu. Sistem dapat dicirikan dari volume, yang besarnya tertentu, serta dari mol gas yang ada di dalamnya, yang bisa berubah-ubah bila sistem  bertukar  molekul dengan sekelilingnya. Sifat Ekstensif sistem adalah sifat yang dapat ditulis sebagai jumlah dari masing-masing sifat subsistem. Volume, massa dan energi adalah sifat-sifat ekstensif yang khas; volume dari suatu sistem adalah jumlah dari volume-volume subsistem. Sifat ekstensif dipengaruhi oleh ukuran sistem dan dapat berubah menurut waktu. Banyak analisis termodinamika melakukan perhitungan perubahan sifat ekstensif seperti massa dan energi pada saat sistem berinteraksi dengan lingkungannya. 2. Hukum II Termodinamika Entropi (ΔS) adalah ekspresi kuantitatif untuk keacakan atau gangguan dalam suatu sistem. Ketika produk reaksi kurang kompleks dan lebih teratur daripada reaktan, reaksi dikatakan bisa untuk melanjutkan dengan memperoleh entropi. Suatu reaksi hanya dapat berlangsung spontan jika perubahan entropi total adalah positif. Kenyatannya adalah entropi total dari suatu sistem adalah selalu positif. Bahkan untuk reaksi biokimia yang isotermis, walaupun tidak terjadi perubahan suhu yang meningkatkan keacakan pergerakan molekul, namun dalam reaksi biokimia tidak ada satu pun reaksi yang efisien 100%. Contohnya, pembakaran glukosa hanya punya efisiensi sekitar 36%. Oleh karena itu, berdasarkan hukum Termodinamika II, bahwa setiap reaksi yang tidak 100% efisien akan menghasilkan energi yang terbuang sebagai entropi. Sehingga, semua reaksi biokimia pasti meningkatkan entropi total, baik entropi sistem ataupun lingkungan.

28

Dalam tinjauan suatu reaksi kimia, entropi dari suatu sistem akan meningkat seiring penambahan temperatur sistem. Secara sederhana hal ini disebabkan oleh suatu alasan yang sama dengan efek kenaikan temperatur pada energi dalam dan entalpi, yaitu peningkatan kecepatan atau kelajuan dari molekul-molekul sistem. Selain meningkatkan energi kinetik dari molekul yang secara general meningkatkan energi dalam sistem, penambahan suhu ini juga meningkatkan keacakan dari gerak tiap molekul. Ketika suhu dinaikkan, molekul-molekul berotasi dan bervibrasi kian acak. Keacakan yang meningkat sekaligus juga berarti meningkatkan entropi sistem, karena entropi berarti keacakan sistem. Dari persamaan berikut dapat dilihat bahwa nilai entropi (ΔS) adalah berbanding lurus dengan nilai ln T 2/T1.  (29)   Hal ini punya pengertian bahwa nilai ΔS akan meningkat bila suhu akhir (T 2)  juga ikut naik. 3. Perubahan Sifat Termodinamika dalam Reaksi Biokimia Dalam suatu reaksi biokimia, pasti terjadi perubahan sifat-sifat termodinamika. Hal ini karena reaksi biokimia, sama seperti reaksi lainnya juga melibatkan perubahan energi pada sistem dan lingkungannya. Namun, yang membedakan adalah bahwa pada reaksi biokimia, energi tidak ditransfer dengan menggunakan kalor dan kerja. Hal lainnya adalah bahwa pada reaksi biokimia, sifat reaksinya adalah isotermis atau suhunya tetap. Hal ini mengakibatkan pada reaksi biokimia tidak ada perubahan energi dalam serta entalpi ‘ sensible heat ’ dari tiap reaktannya. Sifat-sifat termodinamika yang menggambarkan terjadinya perubahan energi dalam suatu reaksi biokimia di antaranya adalah: energi bebas Gibbs, entalpi, dan entropi. Dalam kondisi pada sistem biologi (termasuk suhu dan tekanan konstan), perubahan energi bebas, entalpi, dan entropi secara kuantitatif terkait satu sama lain dengan persamaan: ΔG = ΔH – TΔS  (30) Dimana ΔG adalah perubahan energi bebas Gibbs, ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu (terlihat bahwa suhu bernilai konstan — isotermis), sementara ΔS adalah perubahan entropi.

∆=ln

29

BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 1. Reaksi redoks meliputi 3 konsep yaitu pelepasan dan pengikatan oksigen; pelepasan pengikatan elektron; dan penambahan-pengurangan bilangan oksidasi. 2. Pada makhluk hidup, reaksi redoks berperan dalam berbagai macam proses metabolisme. 3. Perhitungan energi bebas Gibbs pada reksi redoks di makhluk hidup akan bergantung rumusan persamaan reaksi kesetimbangannya. 4. Pengikatan oksigen oleh hemoglobin dilakukan melalui substrukturnya yang bernama heme. 5. Faktor-faktor seperti pH, temperatur, dan tekanan mempengaruhi pengikatan oksigen oleh hemoglobin. 6. Sifat termodinamika ekstensif akan berubah akibat pengaruh temperatur (sifat intensif). 7. Pengaruh suhu terhadap reaksi biokimia akan berdampak pada enzim sebagi agen katalisis reaksi biokimia.

30