energi pembentukan ( ATP )

Pengertian Energi (ATP)Adenosine Triphosphate (ATP) adalah sebuah nukleotida yang dikenal di dunia biokimia sebagai zat yang paling bertanggung jawab dalam perpindahan energi intraseluler. ATP mampu menyimpan dan memindahkan energi kimia di dalam sel. ATP juga memiliki peran penting dalam produksi nucleic acids. Molekul-molekul ATP juga digunakan untuk menyimpan bahan pembentuk energi yang diproduksi oleh respirasi sel.

Struktur molekul ini terdiri dari purin basa (adenin) terikat pada 1 ‘karbon atom dari sebuah. Ini adalah penambahan dan penghapusan gugus fosfat ini yang mengkonversi antar ATP, ADP dan AMP. . Ketika ATP digunakan dalam sintesis DNA, maka gula ribosa pertama dikonversi menjadi deoksiribosa oleh ribonukleotida reduktase.

Rumus struktur adenosin trifosfat (ATP)

 Perubahan entalpi pada pembentukan 1 mol zat langsung dari unsur-unsurnya disebut entalpi molar pembentukan atau entalpi pembentukan. Jika pengukuran dilakukan pada keadaan standar (298 k, 1 atm) dan semua unsur-unsurnya dalam bentuk standar, maka perubahan entalpinya disebut entalpi pembentukan standar (ΔHf 0). Entalpi pembentukan dinyatakan dalam kJ per mol (kJ mol -1).

Supaya terdapat keseragaman, maka harus ditetapkan keadaan standar, yaitu suhu 25 0 C dan tekanan 1 atm. Dengan demikian perhitungan termokimia didasarkan pada keadaan standar.

Pada umumnya  dalam persamaan termokimia dinyatakan:

AB + CD ———-> AC + BD Δ H0 = x kJ/mol

Δ H0 adalah lambang dari perubahan entalpi pada keadaan itu. Yang dimaksud dengan bentuk standar dari suatu unsur adalah bentuk yang paling stabil dari unsur itu pada kondisi standar (298 K, 1 atm).

Untuk unsur yang mempunyai bentuk alotropi, bentuk standarnya ditetapkan berdasarkan pengertian tersebut. Misalnya, karbon yang dapat berbentuk intan dan grafit, bentuk standarnya adalah grafit, karena grafit adalah bentuk karbon yang paling stabil pada 298 K, 1 atm. Dua hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan entalpi pembentukan yaitu bahwa zat yang dibentuk adalah 1 mol dan dibentuk dari unsurnya dalam bentuk standar.

Contoh: Entalpi pembentukan etanol (C2H5OH) (l)  adalah -277,7 kJ per mol. Hal ini berarti: Pada pembentukan 1 mol (46 gram) etanol dari unsur-unsurnya dalam bentuk standar, yaitu karbon (grafit), gas hidrogen dan gas oksigen, yang diukur pada 298 K, 1 atm dibebaskan 277,7 kJ  dengan persamaan termokimianya adalah:
2 C (s, grafit) + 3H2 (g) + ½ O2 (g) –> C2 H5 OH (l)

Nilai entalpi pembentukan dari berbagai zat serta persamaan termokimia reaksi pembentukannya diberikan pada tabel 2 berikut.

Tabel 2. Nilai entalpi pembentukan berbagai zat & Persamaan termokimia reaksi pembentukannya




ATP terdiri dari adenosin – terdiri dari adenin cincin dan ribosa gula – dan tiga fosfat kelompok (trifosfat). Kelompok yang phosphoryl, dimulai dengan kelompok paling dekat dengan ribosa, yang disebut sebagai alpha (α), beta (β), dan gamma (γ) fosfat. ATP sangat larut dalam air dan sangat stabil dalam larutan pH antara 6,8-7,4, tetapi cepat dihidrolisis pada pH yang ekstrim. Akibatnya, ATP paling baik disimpan sebagai garam anhidrat. ATP adalah molekul yang tidak stabil di unbuffered air, yang hydrolyses untuk ADP dan fosfat. Hal ini karena kekuatan ikatan antara residu fosfat dalam ATP kurang dari kekuatan dari “hidrasi” ikatan antara produk-produknya (ADP + fosfat), dan air. Jadi, jika ATP dan ADP berada dalam kesetimbangan kimia dalam air, hampir semua ATP pada akhirnya akan dikonversi ke ADP. Sebuah sistem yang jauh dari kesetimbangan mengandung energi bebas Gibbs, dan mampu melakukan pekerjaan. Sel hidup menjaga rasio ATP menjadi ADP pada suatu titik sepuluh lipat dari kesetimbangan, dengan konsentrasi ATP ribuan kali lipat lebih tinggi daripada konsentrasi ADP. Perpindahan dari kesetimbangan berarti bahwa hidrolisis ATP dalam sel melepaskan energi dalam jumlah besar.



ATP dapat dihasilkan melalui berbagai proses selular, namun seringnya dijumpai di mitokondria melalui proses fosforilasi oksidatif dengan bantuan enzim pengkatalisis ATP sintetase. Pada tumbuhan, proses ini lebih sering dijumpai di dalam kloroplas melalui proses fotosintesis. Bahan bakar utama sintesis ATP adalah glukosa dan asam lemak. Mula-mula, glukosa dipecah menjadi asam piruvat di dalam sitosoldalam reaksi glikolisis. Dari satu molekul glukosa akan dihasilkan dua molekul ATP. Tahap akhir dari sintesis ATP terjadi dalam mitokondria dan menghasilkan total 36 ATP.

Asam piruvat, energi, Gen, karbon dioksida, Lemak, mitokondria, molekul, organ, organel, proses oksidasi,siklus krebs, Sitoplasma

Mitokondria merupakan sumber energi (powerhouse) dari sel berfungsi mengekstrak energi dari makanan. Mitokondria merupakan organel yang besar dalam sel dan menempati sekitar 25% volume sitoplasma.

Mitokondria mempunyai 2 lapisan membran, membran luar dan membran dalam. Membran luar mempunyai pori-pori yang memungkinkan molekul besar melewatinya. Membran dalam terdiri dari 80% protein dan 20% lemak dan menonjol ke dalam. Pada tonjolan ini (crista) terdapat banyak enzim-enzim oksidatuf fosforilase. Enzim ini berperan pada proses oksidasi glukosa dan lemak serta sintesa ATP dari ADP. Pada bagian dalam mitokondria (matriks)juga terdapat banyak enzim yang diperlukan untuk ekstraksi energi dari bahan-bahan makanan. Energi yang dilepaskan digunakan untuk sintesa ATP.

Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme yang menggunakan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan adenosina trifosfat (ATP). Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semuanya menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP. Lintasan ini sangat umum digunakan karena ia merupakan cara yang sangat efisien untuk melepaskan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti glikolisis anaerobik.

Selama fosforilasi oksidatif, elektron ditransfer dari pendonor elektron ke penerima elektron melalui reaksi redoks. Reaksi redoks ini melepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. Pada eukariota, reaksi redoks ini dijalankan oleh serangkaian kompleks protein di dalam mitokondria, manakala pada prokariota, protein-protein ini berada di membran dalam sel. Enzim-enzim yang saling berhubungan ini disebut sebagai rantai transpor elektron. Pada eukariota, lima kompleks protein utama terlibat dalam proses ini, manakala pada prokariota, terdapat banyak enzim-enzim berbeda yang terlibat.

ATP –> ADP + Pi + 12.000 kaloriADP –> AMP + Pi + 12.000 kalori

Adenosin trifosfat : (ATP) Rumus empirisnya adalah C10H16N5O13P3, dan rumus kimianya adalah C10H8N4O2NH2(OH)2(PO3H)3H, dengan berat molekul 507.184. ATP terdiri atas adenosin dan tiga gugus fasfat. Dalam biokimia ATP dikenal sebagai satuan molekuler pertukaran energi intrasel, artinya, ATP dapat digunakan untuk menyimpan dan mentransportasikan energi kimia dalam sel. ATP juga berperan penting dalam sintesis asam nukleat.

Molekul ATP pada beberapa metabolisme dapat dihasilkan dengan beberapa cara:

Glikolisis atau reaksi biokimia dimana glukosa dioksidasi menjadi molekul asam  piruvat.
C6H1206[Glukosa] + 2 NAD+ + 2 P1 (fosfat) + 2 ADP → 2 piruvat + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2OGlikolisis pada lintasan Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) untuk menghasilkan lebih banyak ATP :
C6H1206[Glukosa] + 2 ATP + 2NAD+ → 2 piruvat + 4 ATP + 2NADH ATP sintase disebut juga kompleks V (reaksi kesetimbangan fosforilasi )
ADP + P1 [fosfat] + 4H+(sitosol) <–> ATP + H2O + 4 H+ (matriks) Sel juga memiliki trifosfat nukleosida mengandung energi tinggi yang lain seperti GTP, Reaksi ADP (Adenosine difosfat) dengan GTP (Guanosina difosfat) juga menghasilkan ATP
ADP[Adenosine difosfat] + GTP [Guanosina trifosfat] → ATP + GDP[Guanosina difosfat]

Setiap tingkat kehidupan dari yang paling sederhana (seperti sel) sampai yang paling kompleks (seperti organisme) memerlukan energi untuk melangsungkan hidupnya. Energi ini dipakai atau diekspresikan menjadi aktivitas bagi setiap tingkat kehidupan tersebut. Energi yang dipakai ini berasal dari yang dikenal sebagai ATP. ATP adalah molekul kompleks yang terdiri dari inti yang disusun oleh adenosine dan ekor yang terdiri dari tiga phosphate. Molekul ini membawa sejumlah energi yang komposisinya tepat untuk hampir seluruh reaksi biologis. Setiap mekanisme fisiologis yang memerlukan energi dalam kerjanya mendapatkan energi langsung dari ATP.

1. Penggunaan Energi dalam Proses Non-biosintetik

a)      Produksi Panas

Enzim ATP-ase berperan dalam pembentukan panas. Peranan fisiologis enzim ini agak kabur tetapi diperkirakan bahwa enzim tersebut befungsi untuk membuang kelebihan ATP dan dengan demikian membantu mengatur metabolism energi sel. Hilangnya energy dari ikatan-ikatan fosfat berenergi tinggi dalam bentuk panas juga terjadi melalui cara-cara lain. Misalnya, bila sel membentuk suatu ikatan ester atau amide dalam sistesis suatu molekul hanya dibutuhkan kira-kira 3000 kal. Tetapi perombakan ikatan fosfat berenrgi tinggi melepaskan 12.000 kal. Energy yang tidak digunakan dalam pembentukan ikatan ester atau amide (9000 kal) dilepaskan sebagai panas.

b)      Pergerakan (motilitas)

Pada Flagella

Bukti yang menunjang bahwa ATP dibutuhkan untuk menggerakkan flagella berasal dari penelitian sitokimiawi pada bakteri moti. Hasil peneliyian ini menampakkan adanya aktivitas ATP-ase yang bergantung pada Mg pada situs-situs pada membran tempat munculnua flagella.



Pada Otot

Pemicu otot untuk bergerak adalah impuls listrik dari saraf. Rangsangan dari listrik ini menimbulkan reaksi yang terjadi antara aktin dan miosin yang ada di otot yang nantinya menghasilkan force. Di sini akan dibahas mengenai bagaimana mekanisme yang terjadi pada otot.

Sinyal listrik masuk ke dalam sel saraf yang menyebabkan sel saraf mengeluarkan sinyal kimia (neurotransmiter) di celah (sinapsis) antara sel saraf dan sel otot.Sinyal kimia memasuki sel otot dan berikatan langsung dengan protein reseptor yang ada di membrane plasma sel otot (sarkolema) dan menimbulkan potensial aksi di sel otot.Potensial aksi yang terjadi ini menyebar ke seluruh bagian sel otot dan masuk ke sel melalui T-tubule.Potensial aksi membuka gerbang bagi tempat penyimpanan kalsium (sarcoplasmic reticulumIon Ca2+ bergerak ke sitoplasma sel otot (sarkoplasma) tempat di mana aktin dan miosin berada.Ion kalsium berikatan pada molekul troponin-tropomiosin yang terletak di daerah lekukan filamen aktin. Biasanya molekul tropomiosin melilit aktin di mana miosin dapat membentuk crossbrigdes.Saat berikatan dengan ion kalsium, troponin mengubah bentuk dan menggeser tropomiosin keluar dari lekukan aktin, memperlihatkan ikatan aktin-miosin.Miosin berinteraksi dengan aktin melalui putaran crossbrigdes. Dan kemudian otot berkontraksi, menghasilkan tenaga dan memendek.Setelah potensial aksi lewat gerbang Ca2+ menutup kembali, Ca2+ yang ada di retikulum sarkoplasma akhirnya dilepaskan dari sarkoplasma.Saat itu juga troponin kehilangan konsentrasi Ca2+.Troponin kembali ke posisi semula dan tropomiosin kembali melilit ikatan aktin-miosin di filamen aktin.Karena tidak terbentuknya site di mana terjadi ikatan aktin-miosin, maka tidak ada crossbridgesyang terbentuk dan otot kembali rileks.



Semua aktivitas di atas memerlukan energi. Otot menggunakan energi dalam bentuk ATP. Energi dari ATP dipakai untuk mengulang kembali dari awal kepala crossbridges miosin dan melepaskan filamen aktin. Dan untuk menghasilkan ATP, otot melakukan hal berikut:

Memecah fosfokreatin (bentuk penyimpanan fosfat berenergi tinggi) dan menambahkan fosfat pada ADP untuk membentuk ATP.Melakukan respirasi anaerob, menghasilkan asam laktat dan membentuk ATP.Melakukan respirasi aerob, memecah glukosa, lemak, dan protein dalam suasana O2menghasilkan ATP.

c)   Pengangkutan Nutrien

ATP digunakan oleh sel untuk memindahkan zat keluar dan masuk membran sel. Transportasi zat yang terjadi di sel ini dikenal dengan nama transportasi aktif. Dengan transportasi aktif, sebuah molekul atau ion bergabung dengan molekul pembawa. Penggabungan ini mengubah bentuk dari molekul pembawa. Dengan menggunakan ATP zat-zat diangkut oleh molekul pembawa dari konsentrasi rendah menuju konsentrasi tinggi (melawan gradien konsentrasi).







Transportasi aktif adalah mekanisme transportasi molekul dengan bantuan energi. Artinya, sel harus menggunakan energi yang tersimpan dalam ikatan ATP untuk mentransportasikan molekul melintasi membran plasma.

Transportasi aktif terjadi karena molekul-molekul zat terlarut melintasi membran plasma melawan gradien konsentrasi sehingga membutuhkan energi dalam bentuk ATP untuk melewatinya. Zat terlarut yang ditransportasikan melalui transportasi aktif adalah molekul berukuran besar dan ion. Dan sel yang melakukan transportasi aktif ini adalah sel yang memiliki tingkat respirasi yang tinggi dan memiliki mitokondria dalam jumlah yang banyak untuk menghasilkan ATP dengan konsentrasi tinggi.

a. Transportasi Aktif Langsung

Contohnya adalah pompa Natrium-Kalium (Na-K). Dalam transportasi ini, ATP dihidrolisis dan ikatan dari gugus fosfat ke protein kanal (ATPase) mengubah bentuk dari protein ini (sisi-sisinya). Selain itu sel ATP juga berperan untuk menjaga stabilitas konsentrasi ion natrium dan kalium di dua sisi membran. Konsentrasi ion natrium cenderung lebih tinggi di luar sel sedangkan konsentrasi ion kalium cenderung lebih tinggi di dalam sel (sel memompa tiga ion Na+ keluar sel dan menerima dua ion K+ masuk ke sel). Hal ini perlu untuk transmisi impuls saraf.

Berikut adalah peran dari pompa Na-K:

Membuat gradien konsentrasi dari Na+ dan K+ melalui plasma membran di seluruh sel. Hal ini penting bagi sel saraf dan sel otot untuk membangkitkan sinyal listrik yang diperlukan dalam fungsi sel tersebut.Menjaga volume sel dengan mengatur zat terlarut dalam sel dan memperkecil pengaruh dari osmosis yang akan mengakibatkan sel mengalami swelling (mengembang) atau shrinkingEnergi yang dipakai dalam pompa Na-K ini secara tidak langsung menjadi penyedia energi bagi transportasi glukosa dan asam amino melewati sel usus dan sel ginjal.



b. Transportasi Aktif Tidak Langsung

Contoh dari transportasi tidak langsung ini adalah pemasukan karbohidrat ke dalam sel usus halus. Proses ini dikenal dengan cotransport. ATP digunakan oleh pompa ion Na+ yang keluar sel dan ini menciptakan gradien konsentrasi dari ion Na+. Selanjutnya karbohidrat dan Na+ berikatan pada protein transmembran yang sama yang dikenal sebagai protein cotransport. Kemudian keduanya dipindahkan ke dalam sel. Na+bergerak sesuai dengan gradien konsentrasinya (dari luar membran yang berkonsentrasi tinggi ke dalam membran yang berkonsentrasi rendah) dan karbohidrat bergerak melawan gradien konsentrasinya dengan bantuan Na+.

Penggunaan energi dalam proses biosintetik

Di dalam reaksi kimia, ATP memiliki banyak peran di dalam mensuplai energi untuk mensintesis berbagai molekul lain yang dibutuhkan sel untuk tetap bertahan hidup. Contoh dari reaksi kimia tersebut adalah glikolisis, siklus asam sitrat (siklus Krebs), dan transport electron.

Pengubahan substansi

Asam amino yang macamnya kira-kira ada 20 adalah bahan pembangun protein. Tipe protein yang dibentuknya ditentuka oleh urutan asam-asam aminonya yang bersangkutan. Contoh khusus mengenai sintesis asam amino Prolin oleh bakteri Eschericia coli dengan asam glutamate sebagai reaktan awalnya.

Biosintesis prolin

Contoh lain ialah lintasan bagi perubahan asam aspartat menjadi lisin, metionin, dan threonin. Pengubahan ini menggunakan energi metabolic dalam bentuk ATP. Kedua contoh ini menggambarkan bagaimana energi dibelanjakan untuk saling diubahnya (interkonversi) satu substansi menjadi substansi lainnya.

Sintesis makromolekul

Taraf lain biosintesis ialah penggabungan molekul-molekul yang lebih kecil untuk membentuk molekul yang lebih besar yaitu sintesis makromolekul. Contohnya ialah biosintesis peptidoglikan dinding sel bakteri, aktivasi precursor peptidoglikan.