TRANSFER ENERGI KIMIA Transfer energi kimia dapat didefinisikan sebagai perpindahan aliran energi kimia yang digunakan untuk melakukan bermacam-macam fungsi dalam tubuh hewan atau makhluk hidup.
A. ENERGI METABOLISME Metabolisme adalah seluruh reaksi kimia yang terjadi pada makhluk hidup. Beberapa dari reaksi kimia itu menghasikan pemecahan atau penguraian molekul organik (karbohidrat, lemak dan protein). Proses pemecahan molekul ini yang biasanya memecah molekul berukuran besar dan kompleks menjadi molekul berukuran kecil dan sederhana disebut katabolisme. Reaksi katabolisme pada umumnya melepaskan energi kimia yang dapat digunakan untuk melakukan bermacam-macam fungsi tubuh. Selain proses pemecahan terjadi juga proses pembentukan molekul berukuran besar dan kompleks dari molekul berukuran kecil dan sederhana. Proses ini yang merupakan kebalikan dari proses pemecahan dikenal dengan istilah anabolisme. Dari uraian diatas jelas bahwa metabolisme terdiri dari katabolisme dan anabolisme yang dalam kenyataannya merupakan reaksi kimia yang sangat rumit dan berlangsung di dalam sel. Karena prosesnya berlangsung di dalam sel, maka disebut metabolisme sel. Disamping itu ada istilah yang disebut metabolisme intermedier, yaitu reaksi kimia yang berlangsung di luar sel, dimana karbohidrat, lemak dan protein yang sangat dibutuhkan oleh hewan dipecah-pecah menjadi senyawa sederhana. Selain itu zat ampas dari sel diubah menjadi bentuk lain yang mudah diekskresikan. Didalam sel, molekul organik mengalami pengubahan secara terus menerus karena beberapa molekul dipecah-pecah, sedangkan molekul yang lain terlibat dalam proses sintesis. Pada hewan dewasa komposisi tubuh ada dalam keadaan tunak (steady state) yang dinamik dimana laju katabolisme seimbang dengan laju anabolisme. Pada kadaan tunak yang dinamik ini tubuh hewan dewasa tidak berubah, tetspi molekul-molekul yang terdapat di dalam sel hewan dewasa tersebut secara terus-menerus dipecah atau diganti. Sebagai contoh dapat dikemukakan disini bahwa sel yang mengandung 300 molekul protein dapat
1
disintesis dengan laju 20 molekul per menit, tetapi bila dalam waktu yang bersamaan terjadi pemecahan molekul protein dengan laju yang sama, maka sel selalu mengandung 300 molekul protein. Waktu yang diperlukan untuk mengganti semua molekul dengan molekul baru dari berbagai molekul di dalam sel berbeda satu dengan yang lain; ada yang berlangsung beberapa menit, tetapi ada juga yang berlangsung beberapa menit, tetapi ada juga yang berlangsung beberapa tahun. Pada hewan dewasa, tidak ada pengurangan atau kelebihan berat, tetapi pada hean yang masih sangat muda dan yang sedang tumbuh, anabolisme hars melebihi katabolisme.
Katabolisme Jalur katabolisme yang menguraikan molekul kompleks menjadi
senyawa sederhana mencakup: 1. Respirasi sel, jalur metabolisme yang menghasilkan energi (dalam bentuk ATP dan NADPH) dari molekul-molekul bahan bakar (karbohidrat, lemak, dan protein). Jalur-jalur metabolisme respirasi sel juga terlibat dalam pencernaan makanan. o Katabolisme karbohidrat
Glikogenolisis, pengubahan glikogen menjadi glukosa.
Glikolisis, pengubahan glukosa menjadi piruvat dan ATP tanpa membutuhkan oksigen.
Jalur pentosa fosfat, pembentukan NADPH dari glukosa.
o Katabolisme protein, hidrolisis protein menjadi asam amino. 2. Respirasi aerobik
Transpor elektron
Fosforilasi oksidatif
3. Respirasi anaerobik,
Daur Cori
Fermentasi asam laktat
Fermentasi
Fermentasi etanol
2
Anabolisme Jalur anabolisme yang membentuk senyawa-senyawa dari prekursor
sederhana mencakup: 1. Glikogenesis, pembentukan glikogen dari glukosa. 2. Glukoneogenesis, pembentukan glukosa dari senyawa organik lain. 3. Jalur sintesis porfirin 4. Jalur HMG-CoA reduktase, mengawali pembentukan kolesterol dan isoprenoid. 5. Metabolisme sekunder, jalur-jalur metabolisme yang tidak esensial bagi pertumbuhan, perkembangan, maupun reproduksi, namun biasanya berfungsi secara ekologis, misalnya pembentukan alkaloid dan terpenoid. 6. Fotosintesis 7. Siklus Calvin dan fiksasi karbon
B. ENERGI Konsep energi merupakan kunci untuk memahami sifat energi kimia. Energi merupakan kemampuan untuk melakukan kerja atau menghasilkan perubahan, diukur menurut jumlah kerja yang dilakukan selama terjadi perubahan. Semua perubahan fisika dan kimia selalu melibatkan redistribusi energi. Adanya energi dapatdiperlihatkan hanya bila ada perubahan. Bila dalam suatu sistem terjadi perubahan, energi harus dipindahkan dari satu bagian dari sistem ke bagian laindari sistem itu, tetapi kandungan energi dari sistem tetap sama. Bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan merupakan bagian yang penting dari hukum konversi energi (hukum pertama termodinamika). Jumlah total kandungan energi dari suatu benda terdiri dari 2 komponen, yaitu: 1) Energi yang berkaitan dengan benda bergerak. Energi ini disebut energi kinetik. Maka dari itu pergerakan merupakan salah satu bentuk energi dan energi ini perlu dipindahkan ke suatu benda agar menghasilkan pergerakan. Jumlah energi dari benda bergerak ditentukan oleh masa dan kecepatan gerak. Makin cepat benda bergerak, makin besar pula energi kinetiknya; demikian juga makin besar massa benda, makin besar energi kinetiknya. Energi kinetik
3
berkaitan pula dengan pergerakan masing-masing molekul dan tidak hanya pada besarnya benda. Energi kinetik dari pergerakan molekul merupakan apa yang kita rasakan sebagai panas. Makin panas suatu benda, makin cepat molekul bergerak dan makin besar energi kinetiknya. Jadi jelas bahwa panas merupakan bentuk energi, yaitu energi kinetik dari pergerakan molekul. 2) Energi potensial. Yaitu energi yang berkaitan dengan posisi atau struktur dalam dari suatu benda. Energi potensial mempunyai potensi untuk menjadi energi kinetik bila energi potensial dilepaskan. Energi kimia sebetulnya meerupakan bentuk energi potensial yang terkunci dalam struktur molekul. Energi ini dapat dilepaskan selama reaksi berlangsung dimana ikatan kimia dipecah atau dibentuk. Sepanjang energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan pada saat terjadi reaksi kimia, perbedaan kandungan energi antaramolekul reaktan dengan molekul produk harus sama dengan jumlah energi yang ditambahkan atau dilepaskan pada saat berlangsungnya reaksi kimia. Sebagai contoh dapat dikemukakan disini sebagai berikut, reaksi antara hidrogen dengan oksigen untuk membentuk H2O, melepaskan sejumlah energi panas. Pembentukan 1 mol H2O dari hidrogen dan oksigen melepaskan 68 kcal, sehingga reaksi ini dapat ditulis sebagai berikut: H2 + O2
H2O + 68 kcal per mol
Ini berarti bahwa energi kimia yang disimpan dalam 1 mol molekul air kurang dari 68 kcal dibandingkan dengan yang mula-mula ada di dalam molekul hidrogen dan molekul oksigen. Ikatan kimia seperti antara hidrogen dan oksigen pada reaksi tersebut diatas baru akan terjadi bila 2 molekul tersebut saling berdekatan agar terjadi interaksi elektron dari kedua molekul tersebut. Ini akan terjadi bila pergerakan acak molekul-molekul menyebabkan tumbukan. Agar pembentukan ikatan terjadi, energi dengan jumlah yang cukup, harus dipindahkan selama terjadi tumbukan molekul. Contoh, bila hidrogen dan oksigen dicampur bersama pada suhu ruangan, air akan terbentuk dengan kecepatan rendah, tetapi bila campuran ini dipanaskan, air akan terbentuk dengan cepat. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut, pemansan terhadap campuran hidrogen dan oksigen akan meningkatkan pergerakan molekul sehingga tidak saja meningkatkan
4
frekuensi tumbukan, tetapi jumlah energi kinetik yang dipindahkan selama berlangsungnya tumbukan juga meningkat. Energi aktivasi. Dalam pembentukan ikatan kimia baru, kekuatan listrik yang mengikat atom atau suatu molekul harus diputuskan dulu sebelum terjadi penataan elektron pada ikatan kimia yang baru. Untuk mengganggun keseimbangan gaya atau kekuatan di dalam molekul, sejumlah energi yang disebut energi aktivasi perlu ditambahkan. Energi aktivasi perlu diperoleh dnegan memindahkan energi kinetik selama molekul bertumbukan. Memanaskan campuran hidrogen dengan oksigen seperti dikemukakan diatas meningkatkan jumlah energi kinetik yang dipindahkan setiap kali terjadi tumbukan dan setiap kali terjadi penyediaan energi aktivasi yang sangat diperlukan agar reaksi terjadi. Keadaan yang sama seperti reaksi kimia, dapat kita tunjukkan sebagai berikut, energi potensial dari bola yang terletak disuatu lekukan diatas gunung merupakan energi potensial kimia yang disimpan di dalam molekul. Bila bola tersebut menggelinding dari puncak (B) kearah bawah (C), energi potensial akan diubah menjadi energi kinetik, sama seperti energi kimia yang juga diubah menjadi energi kinetik, selama reaksi kimia berlangsung. Namun demikian bola tidak menggelinding secara spontan, perlu didorong dulu keatas. Gaya dorong ini merupakan energi aktivasi yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia. Pada suhu tertentu, makin besar energi aktivasi, makin sedikit jumlah molekul yang memiliki energi ini, sehingga kecepatan reaksi menjadi menurun.
C. FAKTOR PENENTU TERHADAP KECEPATAN REAKSI BIOKIMIA Kecepatan reaksi kimia diukur dengan menentukan jumlah produk yang terbentuk per satuan waktu. Satuan untuk kecepatan reaksi adalah gram per detik, molekul per detik atau mol per detik. Faktor-faktor yang menentukan kecepatan reaksi kimia dapat dimengerti dipandang dari kebutuhan dasar bagi interaksi molekul yang dijelaskan diatas yang frekuensi tumbukan dan pencapaian energi aktivasi yang diperlukan. Pada penjelasan terdahulu telah disinggung mengenai pemanasan larutan sebagai cara untuk meningkatkan frekuensi tumbukan dan penyediaan energi aktivasi. Suhu sebesar 37°C merupakan lingkungan yang cukup
5
panas dimana molekul memiliki energi kinetik tinggi, tetapi karena suhu tidak terlalu berubah (kurang lebih konstan), perubahan kecepatan reaksi kimia tidak disebabkan karena perubahan suhu. Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi kimia adalah (1) kadar molekul yang dapat mengubah frekuensi tumbukan; (2) enzim yang perannya mempermudah memperoleh energi aktivasi. Hukum Aksi Massa Hukum ini menyatakan bahwa peningkatan atau penurunan kadar suatu molekul dalam suatu reaksi kimia akan meningkatkan atau menurunkan kecepatan reaksi kimia. Misalkan ada reaksi kimia sebagai berikut: A+B
C+D
Reaktan
produk
Setiap reaksi kimia, bila waktu reaksinya cukup, akan tercapai suatu keadaan yang disebut keseimbangan kimia dimana reaksi kearah kanan sama dengan reaksi kearah kiri. Apabila keseimbangan telah tercapai, komposisi campuran reaksi tidak akan berubah. Pada keadaan ini, molekul A dan B masih mengadakan reaksi membentuk C dan D, tetapi selama molekul C dan D mengadakan reaksi membentuk A dan B dengan kecepatan yang sama, tidak terjadi perubahan konsentrasi molekul.
D. ATP DAN TRANSFER ELEKTRON Kegiatan-kegiatan yang dilakukan oleh sel tergantung dari kemampuan untuk mengambil dan memanfaatkan energi kimia yang masih terikat di dalam struktur molekul makanan. Bila 1 mol glukosa dioksidasi menjadi CO2 dan H2O, ada enregi yang dilepaskan sebesar 686 kcal. Di dalam tabung reaksi, energi ini tampak sebagai panas yang dapat digunakan untuk melakukan kerja seperti misalnya mesin uap. Tetapi sel tidak dapat mengubah energi panas menjadi kerja. Fakta menunjukkan bahwa di dalam sel, energi yang dilepaskan ditangkap oleh molekul lain sehingga tidak tampak sebagai panas. Pada semua sel, mulai dari bakteri sampai manusia, molekul yang dapat menangkap energi yang dilepaskan dari oksidasi bahan makanan (karbohidrat,
6
lemak dan protein) dan pada saat yang lain menyerahkan energi untuk melaksanakan berbagai kegiatan sel adalah ATP.
Gambar Struktur kimia ATP dan ADP
ATP dibentuk dari ADP dan fosfat anorganik; untuk keperluan ini harus ditambahkan energi sebesar 7 kcal per mol. Reaksi pembentukan ATP dapat dituliskan sebagai berikut: ADP + fosfat anorganik + 7 kcal/mol
ATP + H2O
Energi sebesar 7 kcal/mol ini diperoleh dari katabolisme karbohidrat, lemak atau protein. Bila sel membutuhkan energi untuk melaksanakan berbagai macam kegiatan, ATP dihidrolisis menjadi ADP dengan reaksi kimia sebagai berikut: ATP + H2O
ADP + fosfat anorganik + 7 kcal/mol
Dari uraian diatas jelas ditunjukkan bahwa di dalam sel terjadi siklus energi melalui ATP, sehingga kehadiran ATP dapat berlangsung hanya selama beberapa detik saja sebelum dipecah menjadi ADP dan fosfat anorganik. Pembentukan ATP berlangsung sama cepatnya dengan pemecahan ATP dan pembentukan ATP ini lazimnya dikaitkan dengan pemecahan karbohidrat, lemak atau protein. Jadi meskipun energi terdapat di dalam struktur molekul ATP, fungsi ATP tidaklah menyimpan energi, tetapi memindahkan energi dari molekul bahan bakar makanan (karbohidrat, lemah atau protein) ke berbagai fungsi sel. Jumlah
7
energi total yang terdapat di dalam molekul ATP mampu memenuhi kebutuhan energi yang diperlukan oleh sel hanya dalam beberapa detik. Didalam tubuh, simpanan energi yang sesungguhnya adalah dalam molekul karbohidrat, lemak atau protein yang energinya dipindahkn ke ATP. Ada 2 cara bagaimana energi digandengkan pada pembentukan ATP yaitu fosforilasi substrat dan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi substrat terjadi bila suatu dari kelompok fosfat dipindahkan ke ADP membentuk ATP, tetapi pada fosforilasi oksidatif, proses kimia yang rumit mengkaitkan
fosfat
anorganik
secara
langsung
pada
ADP,
ketimbang
menggunakan fosforilasi antara, untuk penyediaan fosfat. Fosforilasi oksidatif. Pada proses pemecahan karbohidrat, lemak dan protein, banyak reaksi kimia yang terlibat dalam pelepasan atom hidrogen dari intermediate. Reaksi kimia ini memerlukan suatu koenzim, dimana atom hidrogen ditransfer kekoenzim tersebut. Sebagai akibat transfer hidrogen ini, beberapa energi kimia yang terdapat di dalam molekul karbohidrat, lemak dan protein dipindahkan ke molekul koenzim. Proses fosforilasi oksidatif kemudian menggunakan enersi ini untuk sintesis ATP. Selama atom hidrogen dapat diperoleh dari berbagai macam molekul organik, proses ini memberikan ilustrai bagaimana suatu enersi diperoleh dari berbagai sumber, dapat disalurkan ke pembawa energi (ATP). Bagaimana energi yang dipindahkan bersama-sama hidrogen ke molekul koenzim dapat diteruskan ke ATP? Ini dilakukan melalui serangkaian reaksi yang terjadi di dalam membran mitokondria. Pada kebanyakan sel, fosforilasi oksidatif adalah yang bertangung jawab terhadap pembentukan ATP; karena itu mitokondria sering kali dikenal sebagai rumah tenaga dari sel. Membran ini mengandung protein berisi Fe yang dikenal sebagai sitokrom dan mempunyai kemampuan untuk menerima sepasang elektron dari 2 atom hidrogen. Elektron ini akan bergerak melalui urut-urutan sitokrom yang berbeda, kemudian menyerahkan elektron tersebut ke molekul O2 dan akhirnya molekul O2 akan bereaksi dengan ion hidrogen membentuk air. Reaksi ini dapat dituliskan sebagai berikut:
8
koenzim-2H + ½ O2
koenzim + H2O + 52 kcal/mol
Hasil akhir yang didapat adalah sama dengan reaksi antara hidrogen bebas dengan oksigen membentuk air yang disertai dengan pelepasan energi panas. Mengapa sel harus melangsungkan urut-urutan reaksi kimia yang rumit hanya sekedar untuk pembentukan H2O dari hidrogen dan oksigen?
Bila 1 mol
koenzim-2H mengadakan reaksi langsung dengan O2, semua energi sebesar 52 kcal akan dilepaskan, tetapi karena hanya 7 kcal energi diperlukan untuk membentuk 1 mol ATP dari ADP dan fosfat anorganik, sisa energi sebesar (52 - 7 = 45 kcal) akan tampak sebagai panas buangan. Sebaliknya, bila melalui lingkaran sitokrom, jumlah energi yang sama juga akan dilepaskan bersama dengan transfer elektron antara sitokrom yang berturutan. Enersi yang ditransfer dari beberapa langkah dapat dipadukan ke pembentukan ATP. Dua atau tiga molekul ATP dapat dibentuk dari setiap pasang atom hidrogen yang diserahkan kepada sitokrom , tergantung dari koenzim mana yang menyerahkan atom hidrogen, jadi tergantung dari titik mana elektron masuk ke rantai sitokrom dari jumlah total energi yang dilepaskan selama transport elektron sepanjang rantai sitokrom, 40% dipindahkan ke ATP dan 60% tampak sebagai panas. Mekanisme pelepasan energi yang digandengkan dengan pembentukan ATP selama transport elektron adalah rumit.
9
KESIMPULAN
1. Transfer energi kimia dapat didefinisikan sebagai perpindahan aliran energi kimia yang digunakan untuk melakukan bermacam-macam fungsi dalam tubuh hewan atau makhluk hidup. 2. Metabolisme adalah seluruh reaksi kimia yang terjadi pada makhluk hidup. Berdasarkan letak reaksinya, metabolisme dibagi menjadi dua, yaitu:
a. Metabolisme didalam sel b. Metabolisme intermedier 3. Metabolisme di dalam sel adalah metabolisme yang terjadi didalam sel, secara umum terbagi menjadi dua yaitu : a. Anabolisme adalah proses pembentukan molekul. b. Katabolisme adalah proses pemecahan molekul. 4. Metabolisme intermedier adalah metabolisme yang terjadi diluar sel. dimana karbohidrat, lemak dan protein yang sangat dibutuhkan oleh hewan dipecahpecah menjadi senyawa sederhana. 5. Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi kimia adalah kadar molekul yang dapat mengubah frekuensi tumbukan, enzim yang perannya mempermudah memperoleh energi aktivasi. 6. Didalam tubuh, simpanan energi yang sesungguhnya adalah dalam molekul karbohidrat, lemak atau protein yang energinya dipindahkn ke ATP. Ada 2 cara bagaimana energi digandengkan pada pembentukan ATP yaitu fosforilasi substrat dan fosforilasi oksidatif.
10
DAFTAR PUSTAKA
Wulangi. Kartolo S. 1993. Prinsip-Prinsip Fisiologi Hewan. ITB: Departemen Pendidikan Dan Kebudayaan Direktorat Jendral Pendidikan. Anonim a, 2011. http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/3512/1/biokimiahelvi.pdf (Diakses tanggal 26 September 2011) Anonim b. 2011. http://id.shvoong.com/exact-sciences/biology/2096471-proses-pembentukan-atp/ (Diakses tanggal 26 September 2011)
11
