Bioenergetika atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk
menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain
tidak. Sejumlah sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk
melaksanakan kerjanya, namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik
dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan
elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang
melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi
oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen.
Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena
didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal
dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel.
Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP
sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif.
Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas
dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.
BIOENERGETIKA DAN FOFORILASI OKSIDATIF
Hukum termodinamika
Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk
berbagai tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik
maupun kimia. Dalam banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan
sangat efisien menjadi bentuk yang berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya
diubah menjadi energi ikatan kimia. Dalam mitokondria, energi bebas yang
terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah mnjadi suatu alat tukar
energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). Energi ikatan kimia yang terkandung
dalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksi
otot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel
sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP
juga digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya.
Bioenergetika atau thermodinamika biokimia menerangkan berbagai macam
perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi bebas adalah
bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat,
difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua. Hukum
thermodinamika pertama menyatakan jumlah energi dalam suatu sistem dan
lingkungannya adalah tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa suatu proses dapat
berlangsung spontan hanya bila jumlah entropi (tingkat kekacauan) suatu sistem
dan lingkungannya bertambah. Suatu masalah dalam menggunakan entropi sebagai
kriteria apakah suatu reaksi kimia dapat berjalan spontan, ialah bahwa perubahan
entropi reaksi kimia tidak dapat diukur secara langsung. Kesukaran ini diatasi
dengan menggunakan fungsi thermodinamika lain yang disebut energi bebas ( G )
dengan persamaan : tG = tH - T tS .
tG adalah perubahan energi bebas suatu sistem yang mengalami perubahan pada
suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap. tH adalah perubahan entalpi
(kandungan panas) sistem dan tS perubahan entropinya.
Perubahan entalpi dinyatakan sebagai : tH = tE – PtV, karena perubahan volume,
tV dalam reaksi biokimia kecil sehingga tH hampir sama dengan tE, maka : tG
= tE - T tS .
Berlawanan dengan perubahan energi dalam sistem (tE ), perubahan energi
bebas (tG ) suatu reaksi adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah
reaksi tersebut dapat berlangsung dengan spontan. Suatu reaksi dapat berlangsung
spontan hanya bila tG negatif. Bila tG nol, sistem berada dalam keseimbangan dan
bila positif, diperlukan masukan energi bebas untuk menggerakkan reaksi tersebut.
ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik
Proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas
(eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan
energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses
katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar
sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam
proses anabolisme.
Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada
senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi
eksergonik dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi
endergonik, sehingga energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut.
Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan
reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang melepas
energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk senyawa
dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi
tinggi yang utama adalah ATP .
ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan trifosfat . Bentuk
aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Sebagai pengemban
energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan
fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis
menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis
menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan
perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi
yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi
glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (tGº = + 13,8
kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih
eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tGº = - 30,5 kj/mol ) sehingga
rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan
mudah dan sangat eksergonik (tGº = - 16,7 kj/mol ).
Konversi antar ATP, AMP dan ADP adalah mungkin. Enzym adenilat kinase
(miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ⇔ ADP + ADP. Reaksi ini mempunyai
fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP untuk digunakan
dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi
yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan
peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik
untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa
reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu
guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk
difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk-
bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal
dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat
kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDP ⇔ ADP + GTP dan ATP + GMP ⇔ ADP + GDP.
Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang
tinggi. Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1,
3 bifosfogliserat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan
fosfat yang lebih tinggi dari ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa tersebut dapat
memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Potensial transfer
fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting secara biologis seperti glukosa 1
fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol 3 fosfat lebih rendah dari ATP.
Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul terfosforilasi tersebut,
memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil.
ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan
fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawa-senyawa tinggi
energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami
hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P dan
menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber
utama ~ P yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa
fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber
energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi
rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua ~ P yang
terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber ketiga adalah siklus
asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A
menjadi suksinat.
Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi
tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein
pembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat
glukosa dan 5.fosforibosil.1.pirofosfat.
Reaksi oksidasi molekul bahan bakar dimana NADH dan FADH2 adalah
pengemban elektron utama
Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar,
seperti glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir
adalah oksigen. Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari
molekul bahan bakar atau dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat
yang dioksidasi memindahkan elektronnya kepengemban-pengemban khusus yaitu
nukleotida piridin atau flavin. Pengemban yang tereduksi ini kemudian memindahkan
elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai pernapasan yang terdapat pada
sisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran
elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP dari
ADP dan ortofosfat ( Pi ). Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi
sumber utama ATP pada organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang
berasal dari oksidasi molekul bahan bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi
biosintesa yang memerlukan daya pereduksi.
Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+) adalah pengemban elektron utama
pada oksidasi molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD+ adalah cincin
nikotinamidnya, suatu derivat piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid
NAD+ menerima satu ion hidrogen dan dua elektron, yang ekivalen dengan satu ion
hidrida(H-
).
Bentuk tereduksi pengemban ini disebut NADH. Pada dehidrogenasi diatas,
satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke NAD+, sedangkan yang
lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang dilepaskan oleh
substrat dipindahkan kecincin nikotinamid.
Pengemban elektron utama lainnya pada oksidasi molekul bahan bakar
adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Bagian
reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD, seperti juga NAD+, dapat
menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD+, FAD mengambil proton dan juga
ion hidrida.
Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi
oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan
molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung
sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron
ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan
dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya perbedaan potensial oksidasi
reduksi (E0’) atau potensial transfer elektron memungkinkan elektron mengalir dari
unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih rendah) ke
unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran
elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran
dalam mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks
mitokondria. Akibatnya terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari
gradien pH dan potensial listrik transmembran yang kemudian mendorong proton
mengalir kembali kedalam matriks melalui suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi,
oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien proton pada membran dalam
mitokondria. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat
transfer elektron dari NADH atau FADH2 kepada oksigen melalui serangkaian
pengemban elektron. Proses ini adalah sumber utama pembentukan ATP pada
organisme aerob. Pembentukan ATP dalam glikolisis sempurna glukosa menjadi CO2
dan H2O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari proses fosforilasi oksidatif.
Komplek-komplek enzym yang terangkai pada membran dalam mitokondria untuk
pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH2 ke oksigen molekuler dimana
terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan. Komplek
enzym tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom
reduktase dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga
komplek yang lain, tidak memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak
elektron diubah menjadi daya gerak proton dan kemudian menjadi potensial
fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu
NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek
transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon,
besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase,
suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam
matriks mitokondria.
Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q
reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah
awal adalah pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida
(FMN), gugus prostetik komplek ini, menjadi bentuk tereduksi, FMNH2. Elektron
kemudian ditransfer dari FMNH2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis
kedua gugus prostetik dalam NADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-
besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q, dikenal juga sebagai ubiquinon. Ubiquinon
mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi kedua
terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH2) yang terikat
enzym. Pasangan elektron pada QH2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S)
kedua yang ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil
dalam inti hidrofobik membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini
menyebabkan terpompanya empat H+ dari matriks kesisi sitosol membran dalam
mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui.
Ubiquinol ( QH2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH2 enzym-
enzym flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian
dari komplek suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein
integral membran dalam mitokondria. FADH2 tidak meninggalkan komplek,
elektronnya ditransfer kerumpun belerang-besi dan kemudian ke Q untuk masuk
dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain seperti gliserol fosfat
dehidrogenase dan asil-ko-A dehidrogenase yang membentuk gugus prostetik
tereduksi FADH2, elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut
flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein).
Selanjutnya ETF memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk
masuk rantai pernapasan dalam bentuk QH2. Berbeda dengan komplek I, komplek II
dan enzym lain yang mentransfer elektron dari FADH2 ke Q tidak memompa proton
karena perubahan energi bebas dari reaksi yang dikatalisanya terlalu kecil. Itulah
sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH2 lebih sedikit dari pada melalui
NADH.
Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase
atau ubiquinol-sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc1 atau disebut juga
komplek III. Sitokrom merupakan protein pemindah elektron yang mengandung
heme sebagai gugus prostetik. Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer
elektron dari QH2 kesitokrom c dan secara bersamaan memompa proton sebanyak
dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua sitokrom yaitu b dan c1
dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai polipeptida
lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c1
yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya.
Sitokrom oksidase, komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai
pernapasan, mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen
sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase mengandung dua gugus heme yang
berbeda dari heme pada sitokrom c dan c1 karena gugus rantai samping hemenya
dan ikatannya pada enzym secara non kovalen. Heme komplek ini dikenali sebagai
heme a dan heme a3, karenanya komplek ini juga disebut sitokrom aa3. Selain heme
komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal dengan CuA dan CuB.
Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA dan satu lagi
kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah
menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan ekseptor elektron terminal
yang ideal. Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak
termodinamik yang besar untuk fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton
empat H+ kesisi sitosol dari membran.
Sejumlah ATP yang dibentuk pada peristiwa fosforilasi oksidatif dirantai
pernapasan tidak begitu pasti karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP dan
proses transport metabolite tidak harus dalam jumlah bulat atau bernilai tetap.
Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari matriks kesisi sitosol
membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron, masing-masing
adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui ATP
sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu
H+ tambahan. Dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran
sepasang elektron dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap
komplek III, misalnya yang berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira
1,5 ATP per pasangan elektron.
Kecepatan fosforilasi oksidatif ditentukan oleh kebutuhan ATP. Transport
elektron terangkai erat dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai pernapasan ke oksigen bila tidak ada ADP yang secara simultan mengalami
fosforilasi menjadi ATP. Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber
elektron lain dengan potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting
dalam menentukan kecepatan fosforilasi oksidatif adalah kadar ADP. Kecepatan
konsumsi oksigen oleh mitokondria meningkat tajam bila ditambahkan ADP dan
kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan sudah difosforilasi menjadi ATP.
Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi. Kepentingan fisiologis
mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai dan dengan
demikian fosforilasi oksidatif terangkai dengan penggunaan ATP. Elektron tidak
mengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak
diperlukan.
Transfer elektron dalam rantai pernapasan dapat dihambat oleh banyak
inhibitor spesifik. Inhibitor-inhibitor ini dibagi menjadi tiga golongan yaitu inhibitor
rantai pernapasan, inhibitor fosforilasi oksidatif dan pemutus rangkaian (uncoupler)
fosforilasi oksidatif. Amobarbital (barbiturat), pierisidin A (antibiotik), insektisida dan
rotenon (racun ikan) menghambat transfer elektron dalam NADH-Q reduktase
dengan menyekat pemindahan elektron dari Fe-S ke Q. Karboksin dan TTFA
menghambat aliran elektron dalam suksinat-Q reduktase, sedangkan malonat
merupakan inhibitor kompetitif dari enzym suksinat dehidrogenase. Dimerkaprol dan
antimisin A menghambat elektron dari sitokrom b dalam sitokrom reduktase. Racun
klasik seperti H2S, karbon monoksida (CO), sianida (CN-
) dan azida (N3
-
)
menghambat sitokrom oksidase dan dapat menghentikan respirasi secara total.
Oligomisin (antibiotik) menghambat fosforilasi dan dengan begitu juga menghambat
oksidasi sedangkan atraktilosida dan asam bongkrek menghambat pengangkutan
ADP kemitokondria dan ATP keluar mitokondria, sehingga menganggu fosforilasi
oksidatif. Senyawa-senyawa pemutus rangkaian memisahkan proses oksidasi dalam
rantai pernapasan dengan proses fosforilasi. Pemisahan ini menyebabkan respirasi
menjadi tak terkendali, karena konsentrasi ADP dan ortofosfat tidak lagi membatasi
laju respirasi . senyawa-senyawa ini antara lain adalah dinitrofenol, dinitrokresol,
pentaklorofenol dan yang memiliki daya paling kuat sampai seratus kali lebih besar
dari yang lain adalah CCCP (klorokarbonil sianida phenilhidrazon).
Elektron dari NADH sitosol
Membran dalam mitokondria tidak permeabel terhadap NADH dan NAD+.
NADH yang terbentuk pada glikolisis disitosol, pada oksidasi gliseraldehid 3-fosfat,
harus dioksidasi kembali menjadi NAD+ untuk kelangsungan glikolisis. Bagaimana
NADH sitosol dapat dioksidasi melalui rantai pernapasan bila tidak dapat masuk
kemitokondria? Pemecahannya adalah elektronnya saja yang dibawa melintasi
membran mitokondria. Salah satu pembawa adalah gliserol 3-fosfat yang dapat
menyebrangi membran luar mitokondria. Langkah pertama dalam sistem ini adalah
pemindahan elektron dari NADH ke dihidroksiaseton fosfat membentuk gliserol 3-
fosfat yang dikatalisa oleh gliserol 3-fosfat dehidrogenase. gliserol 3-fosfat berdifusi
kedalam mitokondria dan dioksidasi kembali menjadi dihidroksiaseton fosfat pada
permukaan luar membran dalam mitokondria. Sepasang elektron dari gliserol 3-
fosfat ditransfer kegugus prostetik gliserol dehidrogenase mitokondria. Enzym ini
berbeda dengan enzym serupa yang ada disitosol, karena menggunakan FAD dan
bukan NAD sebagai akseptor elektron selain itu juga merupakan protein
transmembran. Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk kemudian berdifusi kembali
kedalam sitosol untuk melengkapi sistem angkut ini. Flavin tereduksi dalam
mitokondria memindahkan elektronnya kepembawa elektron Q dan masuk rantai
pernapasan dalam bentuk QH2. Akibatnya hanya terbentuk 1,5 ATP dan bukan 2,5
ATP bila NADH sitosol yang dioksidasi dalam rantai pernapasan diangkut oleh gliserol
3-fosfat. Penggunaan FAD memungkinkan elektron dari NADH sitosol ditranspor
kedalam mitokondria melawan gradien konsentrasi NADH , walaupun untuk itu ,
sistem angkut ini harus merugi satu ATP dibanding bila sistem menggunakan NAD+.
Sistem angkut ini terutama berperan pada otot terbang serangga yang dapat
mempertahankan kecepatan fosforilasi oksidatif yang sangat tinggi .
Dalam jantung dan hati, elektron dari NADH sitosol dibawa kedalam
mitokondria melalui sitem angkut malat-aspartat, yang menggunakan dua
penggemban membran dan empat enzym. Diawali dengan transfer elektron dari
NADH sitosol ke oksaloaetat, membentuk malat, yang kemudian melintasi membran
dalam mitokondria dan dioksidasi kembali melalui NAD+ dalam matriks mitokondria
membentuk NADH. Karena oksaloasetat yang dibentuk tidak mudah melintasi
membran dalam mitokondria, diperlukan reaksi transaminasi untuk membentuk
aspartat, yang dapat diangkut kesisi sitosol. Berbeda dari sistem angkut gliserol
fosfat , NADH hanya dapat dibawa kedalam mitokondria bila ratio NADH / NAD+
disitosol lebih tinggi dari pada dimatriks mitokondria.
Protein pengangkut dalam mitokondria
Mitokondria merupakan organel yang berbentuk lonjong, biasanya dengan
panjang kurang lebih dua mikrometer dan diameter setengah mikrometer.
Mitokondria mengandung susunan rantai pernapasan, enzym-enzym siklus asam
sitrat dan enzym-enzym oksidasi asam lemak. mitokondria memiliki dua sistem
membran, membran luar dan membran dalam yang luas dan berlipat-lipat. Lipatan-
lipatan pada membran dalam disebut krista. Dua kompartemen dalam mitokondria
yaitu ruang antar membran (ruang antara membran dalam dan membran luar
mitokondria) dan matriks yang dibatasi membran dalam. Membran luar cukup
permeabel untuk sebagian besar molekul kecil dan ion, karena mengandung banyak
porin, suatu protein transmembran dengan pori besar. Sebaliknya hampir tidak ada
ion atau molekul polar yang dapat menembus membran dalam. Sekelompok besar
protein transport mengangkut metabolit seperti ATP dan sitrat, melalui membran
dalam kedalam matriks dan sebaliknya. Kedua sisi membran dalam disebut sisi
matriks (sisi negatif) dan sisi sitosol (sisi positif) karena potensial membran antara
dua sisi tersebut. Sisi ruang antar membran dikatakan sisi sitosol karena dapat
dicapai oleh hampir semua molekul kecil dalam sitosol.
ATP dan ADP tidak berdifusi bebas melintasi membran dalam mitokondria.
Suatu protein transport spesifik, ATP-ADP translokase (pembawa adenin nukleotida),
memungkinkan molekul yang tinggi muatan ini menyebrangi sawar permeabilitas
membran dalam mitokondria. Aliran ATP dan ADP terangkai secara antiport, ADP
masuk matriks bila ATP keluar matriks mitokondria, dan sebaliknya. Pertukaran ATP-
ADP sangat banyak mengunakan energi, kurang lebih seperempat energi yang
dihasilkan pada transfer elektron melalui rantai pernapasan.
Beberapa protein pengangkut atau pengemban mitokondria lain untuk ion dan
metabolite bermuatan bekerja dengan cara simport dan antiport. Pengemban fosfat,
bekerja bersama dengan translokase ATP-ADP, menyebabkan pertukaran antara Pi
(sebagai ion H2PO4
-
) dengan OH-
atau simport dari Pi dan H+. Kerjasama kedua
pengangkut ini, menyebabkan pertukaran ADP dan Pi sitosol dengan ATP matriks,
disertai masuknya satu H+. Pengemban dikarboksilat, memungkinkan malat, suksinat
dan fumarat dikeluarkan dari mitokondria secara antiport dengan Pi. Pengemban
trikarboksilat, mengangkut sitrat dan satu proton masuk mitokondria secara antiport
dengan malat. Pengemban piruvat, membawa masuk piruvat dari sitosol kematriks
mitokondria secara simport dengan H+ atau secara antiport dengan OH-
. Pengangkut
α ketoglutarat, membawa masuk α ketoglutarat secara antiport dengan malat.
Protein-protein pengangkut mitokondria ini dan lebih dari lima yang lainnya
mempunyai struktur yang sama. Membran dalam mitokondria bersifat permeabel
menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain
tidak. Sejumlah sistem non biologik dapat menggunakan energi panas untuk
melaksanakan kerjanya, namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik
dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.
Prinsip reaksi oksidasi reduksi yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan
elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang
melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Ternyata banyak reaksi-reaksi
oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen.
Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena
didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal
dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel.
Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP
sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif.
Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas
dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.
BIOENERGETIKA DAN FOFORILASI OKSIDATIF
Hukum termodinamika
Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya dari makanan untuk
berbagai tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai kerja baik fisik
maupun kimia. Dalam banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan
sangat efisien menjadi bentuk yang berbeda. Dalam fotosintesa, energi cahaya
diubah menjadi energi ikatan kimia. Dalam mitokondria, energi bebas yang
terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah mnjadi suatu alat tukar
energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). Energi ikatan kimia yang terkandung
dalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksi
otot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel
sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP
juga digunakan untuk berbagai aktiviatas sel lainnya.
Bioenergetika atau thermodinamika biokimia menerangkan berbagai macam
perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi bebas adalah
bahagian energi total yang dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat,
difungsikan berdasar hukum thermodinamika pertama dan kedua. Hukum
thermodinamika pertama menyatakan jumlah energi dalam suatu sistem dan
lingkungannya adalah tetap. Hukum kedua menyatakan bahwa suatu proses dapat
berlangsung spontan hanya bila jumlah entropi (tingkat kekacauan) suatu sistem
dan lingkungannya bertambah. Suatu masalah dalam menggunakan entropi sebagai
kriteria apakah suatu reaksi kimia dapat berjalan spontan, ialah bahwa perubahan
entropi reaksi kimia tidak dapat diukur secara langsung. Kesukaran ini diatasi
dengan menggunakan fungsi thermodinamika lain yang disebut energi bebas ( G )
dengan persamaan : tG = tH - T tS .
tG adalah perubahan energi bebas suatu sistem yang mengalami perubahan pada
suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap. tH adalah perubahan entalpi
(kandungan panas) sistem dan tS perubahan entropinya.
Perubahan entalpi dinyatakan sebagai : tH = tE – PtV, karena perubahan volume,
tV dalam reaksi biokimia kecil sehingga tH hampir sama dengan tE, maka : tG
= tE - T tS .
Berlawanan dengan perubahan energi dalam sistem (tE ), perubahan energi
bebas (tG ) suatu reaksi adalah kriteria yang berharga untuk menentukan apakah
reaksi tersebut dapat berlangsung dengan spontan. Suatu reaksi dapat berlangsung
spontan hanya bila tG negatif. Bila tG nol, sistem berada dalam keseimbangan dan
bila positif, diperlukan masukan energi bebas untuk menggerakkan reaksi tersebut.
ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik
Proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas
(eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan
energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses
katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar
sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam
proses anabolisme.
Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada
senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi
eksergonik dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi
endergonik, sehingga energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut.
Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan
reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang melepas
energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk senyawa
dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi
tinggi yang utama adalah ATP .
ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan trifosfat . Bentuk
aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Sebagai pengemban
energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan
fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis
menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis
menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan
perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi
yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi
glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (tGº = + 13,8
kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih
eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tGº = - 30,5 kj/mol ) sehingga
rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan
mudah dan sangat eksergonik (tGº = - 16,7 kj/mol ).
Konversi antar ATP, AMP dan ADP adalah mungkin. Enzym adenilat kinase
(miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ⇔ ADP + ADP. Reaksi ini mempunyai
fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP untuk digunakan
dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi
yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan
peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik
untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa
reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu
guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk
difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk-
bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal
dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat
kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDP ⇔ ADP + GTP dan ATP + GMP ⇔ ADP + GDP.
Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang
tinggi. Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1,
3 bifosfogliserat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan
fosfat yang lebih tinggi dari ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa tersebut dapat
memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Potensial transfer
fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting secara biologis seperti glukosa 1
fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol 3 fosfat lebih rendah dari ATP.
Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul terfosforilasi tersebut,
memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil.
ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan
fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawa-senyawa tinggi
energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami
hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P dan
menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber
utama ~ P yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa
fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber
energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi
rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua ~ P yang
terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber ketiga adalah siklus
asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A
menjadi suksinat.
Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi
tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein
pembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat
glukosa dan 5.fosforibosil.1.pirofosfat.
Reaksi oksidasi molekul bahan bakar dimana NADH dan FADH2 adalah
pengemban elektron utama
Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar,
seperti glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir
adalah oksigen. Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari
molekul bahan bakar atau dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat
yang dioksidasi memindahkan elektronnya kepengemban-pengemban khusus yaitu
nukleotida piridin atau flavin. Pengemban yang tereduksi ini kemudian memindahkan
elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai pernapasan yang terdapat pada
sisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran
elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP dari
ADP dan ortofosfat ( Pi ). Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi
sumber utama ATP pada organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang
berasal dari oksidasi molekul bahan bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi
biosintesa yang memerlukan daya pereduksi.
Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+) adalah pengemban elektron utama
pada oksidasi molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD+ adalah cincin
nikotinamidnya, suatu derivat piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid
NAD+ menerima satu ion hidrogen dan dua elektron, yang ekivalen dengan satu ion
hidrida(H-
).
Bentuk tereduksi pengemban ini disebut NADH. Pada dehidrogenasi diatas,
satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke NAD+, sedangkan yang
lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang dilepaskan oleh
substrat dipindahkan kecincin nikotinamid.
Pengemban elektron utama lainnya pada oksidasi molekul bahan bakar
adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Bagian
reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD, seperti juga NAD+, dapat
menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD+, FAD mengambil proton dan juga
ion hidrida.
Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi
oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan
molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung
sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron
ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan
dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya perbedaan potensial oksidasi
reduksi (E0’) atau potensial transfer elektron memungkinkan elektron mengalir dari
unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih rendah) ke
unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran
elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran
dalam mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks
mitokondria. Akibatnya terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari
gradien pH dan potensial listrik transmembran yang kemudian mendorong proton
mengalir kembali kedalam matriks melalui suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi,
oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien proton pada membran dalam
mitokondria. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat
transfer elektron dari NADH atau FADH2 kepada oksigen melalui serangkaian
pengemban elektron. Proses ini adalah sumber utama pembentukan ATP pada
organisme aerob. Pembentukan ATP dalam glikolisis sempurna glukosa menjadi CO2
dan H2O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari proses fosforilasi oksidatif.
Komplek-komplek enzym yang terangkai pada membran dalam mitokondria untuk
pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH2 ke oksigen molekuler dimana
terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan. Komplek
enzym tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom
reduktase dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga
komplek yang lain, tidak memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak
elektron diubah menjadi daya gerak proton dan kemudian menjadi potensial
fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu
NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek
transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon,
besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase,
suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam
matriks mitokondria.
Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q
reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah
awal adalah pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida
(FMN), gugus prostetik komplek ini, menjadi bentuk tereduksi, FMNH2. Elektron
kemudian ditransfer dari FMNH2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis
kedua gugus prostetik dalam NADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-
besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q, dikenal juga sebagai ubiquinon. Ubiquinon
mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi kedua
terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH2) yang terikat
enzym. Pasangan elektron pada QH2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S)
kedua yang ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil
dalam inti hidrofobik membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini
menyebabkan terpompanya empat H+ dari matriks kesisi sitosol membran dalam
mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui.
Ubiquinol ( QH2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH2 enzym-
enzym flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian
dari komplek suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein
integral membran dalam mitokondria. FADH2 tidak meninggalkan komplek,
elektronnya ditransfer kerumpun belerang-besi dan kemudian ke Q untuk masuk
dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain seperti gliserol fosfat
dehidrogenase dan asil-ko-A dehidrogenase yang membentuk gugus prostetik
tereduksi FADH2, elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut
flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein).
Selanjutnya ETF memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk
masuk rantai pernapasan dalam bentuk QH2. Berbeda dengan komplek I, komplek II
dan enzym lain yang mentransfer elektron dari FADH2 ke Q tidak memompa proton
karena perubahan energi bebas dari reaksi yang dikatalisanya terlalu kecil. Itulah
sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH2 lebih sedikit dari pada melalui
NADH.
Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase
atau ubiquinol-sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc1 atau disebut juga
komplek III. Sitokrom merupakan protein pemindah elektron yang mengandung
heme sebagai gugus prostetik. Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer
elektron dari QH2 kesitokrom c dan secara bersamaan memompa proton sebanyak
dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua sitokrom yaitu b dan c1
dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai polipeptida
lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c1
yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya.
Sitokrom oksidase, komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai
pernapasan, mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen
sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase mengandung dua gugus heme yang
berbeda dari heme pada sitokrom c dan c1 karena gugus rantai samping hemenya
dan ikatannya pada enzym secara non kovalen. Heme komplek ini dikenali sebagai
heme a dan heme a3, karenanya komplek ini juga disebut sitokrom aa3. Selain heme
komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal dengan CuA dan CuB.
Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA dan satu lagi
kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah
menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan ekseptor elektron terminal
yang ideal. Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak
termodinamik yang besar untuk fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton
empat H+ kesisi sitosol dari membran.
Sejumlah ATP yang dibentuk pada peristiwa fosforilasi oksidatif dirantai
pernapasan tidak begitu pasti karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP dan
proses transport metabolite tidak harus dalam jumlah bulat atau bernilai tetap.
Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari matriks kesisi sitosol
membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron, masing-masing
adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui ATP
sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu
H+ tambahan. Dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran
sepasang elektron dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap
komplek III, misalnya yang berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira
1,5 ATP per pasangan elektron.
Kecepatan fosforilasi oksidatif ditentukan oleh kebutuhan ATP. Transport
elektron terangkai erat dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai pernapasan ke oksigen bila tidak ada ADP yang secara simultan mengalami
fosforilasi menjadi ATP. Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber
elektron lain dengan potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting
dalam menentukan kecepatan fosforilasi oksidatif adalah kadar ADP. Kecepatan
konsumsi oksigen oleh mitokondria meningkat tajam bila ditambahkan ADP dan
kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan sudah difosforilasi menjadi ATP.
Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi. Kepentingan fisiologis
mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai dan dengan
demikian fosforilasi oksidatif terangkai dengan penggunaan ATP. Elektron tidak
mengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak
diperlukan.
Transfer elektron dalam rantai pernapasan dapat dihambat oleh banyak
inhibitor spesifik. Inhibitor-inhibitor ini dibagi menjadi tiga golongan yaitu inhibitor
rantai pernapasan, inhibitor fosforilasi oksidatif dan pemutus rangkaian (uncoupler)
fosforilasi oksidatif. Amobarbital (barbiturat), pierisidin A (antibiotik), insektisida dan
rotenon (racun ikan) menghambat transfer elektron dalam NADH-Q reduktase
dengan menyekat pemindahan elektron dari Fe-S ke Q. Karboksin dan TTFA
menghambat aliran elektron dalam suksinat-Q reduktase, sedangkan malonat
merupakan inhibitor kompetitif dari enzym suksinat dehidrogenase. Dimerkaprol dan
antimisin A menghambat elektron dari sitokrom b dalam sitokrom reduktase. Racun
klasik seperti H2S, karbon monoksida (CO), sianida (CN-
) dan azida (N3
-
)
menghambat sitokrom oksidase dan dapat menghentikan respirasi secara total.
Oligomisin (antibiotik) menghambat fosforilasi dan dengan begitu juga menghambat
oksidasi sedangkan atraktilosida dan asam bongkrek menghambat pengangkutan
ADP kemitokondria dan ATP keluar mitokondria, sehingga menganggu fosforilasi
oksidatif. Senyawa-senyawa pemutus rangkaian memisahkan proses oksidasi dalam
rantai pernapasan dengan proses fosforilasi. Pemisahan ini menyebabkan respirasi
menjadi tak terkendali, karena konsentrasi ADP dan ortofosfat tidak lagi membatasi
laju respirasi . senyawa-senyawa ini antara lain adalah dinitrofenol, dinitrokresol,
pentaklorofenol dan yang memiliki daya paling kuat sampai seratus kali lebih besar
dari yang lain adalah CCCP (klorokarbonil sianida phenilhidrazon).
Elektron dari NADH sitosol
Membran dalam mitokondria tidak permeabel terhadap NADH dan NAD+.
NADH yang terbentuk pada glikolisis disitosol, pada oksidasi gliseraldehid 3-fosfat,
harus dioksidasi kembali menjadi NAD+ untuk kelangsungan glikolisis. Bagaimana
NADH sitosol dapat dioksidasi melalui rantai pernapasan bila tidak dapat masuk
kemitokondria? Pemecahannya adalah elektronnya saja yang dibawa melintasi
membran mitokondria. Salah satu pembawa adalah gliserol 3-fosfat yang dapat
menyebrangi membran luar mitokondria. Langkah pertama dalam sistem ini adalah
pemindahan elektron dari NADH ke dihidroksiaseton fosfat membentuk gliserol 3-
fosfat yang dikatalisa oleh gliserol 3-fosfat dehidrogenase. gliserol 3-fosfat berdifusi
kedalam mitokondria dan dioksidasi kembali menjadi dihidroksiaseton fosfat pada
permukaan luar membran dalam mitokondria. Sepasang elektron dari gliserol 3-
fosfat ditransfer kegugus prostetik gliserol dehidrogenase mitokondria. Enzym ini
berbeda dengan enzym serupa yang ada disitosol, karena menggunakan FAD dan
bukan NAD sebagai akseptor elektron selain itu juga merupakan protein
transmembran. Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk kemudian berdifusi kembali
kedalam sitosol untuk melengkapi sistem angkut ini. Flavin tereduksi dalam
mitokondria memindahkan elektronnya kepembawa elektron Q dan masuk rantai
pernapasan dalam bentuk QH2. Akibatnya hanya terbentuk 1,5 ATP dan bukan 2,5
ATP bila NADH sitosol yang dioksidasi dalam rantai pernapasan diangkut oleh gliserol
3-fosfat. Penggunaan FAD memungkinkan elektron dari NADH sitosol ditranspor
kedalam mitokondria melawan gradien konsentrasi NADH , walaupun untuk itu ,
sistem angkut ini harus merugi satu ATP dibanding bila sistem menggunakan NAD+.
Sistem angkut ini terutama berperan pada otot terbang serangga yang dapat
mempertahankan kecepatan fosforilasi oksidatif yang sangat tinggi .
Dalam jantung dan hati, elektron dari NADH sitosol dibawa kedalam
mitokondria melalui sitem angkut malat-aspartat, yang menggunakan dua
penggemban membran dan empat enzym. Diawali dengan transfer elektron dari
NADH sitosol ke oksaloaetat, membentuk malat, yang kemudian melintasi membran
dalam mitokondria dan dioksidasi kembali melalui NAD+ dalam matriks mitokondria
membentuk NADH. Karena oksaloasetat yang dibentuk tidak mudah melintasi
membran dalam mitokondria, diperlukan reaksi transaminasi untuk membentuk
aspartat, yang dapat diangkut kesisi sitosol. Berbeda dari sistem angkut gliserol
fosfat , NADH hanya dapat dibawa kedalam mitokondria bila ratio NADH / NAD+
disitosol lebih tinggi dari pada dimatriks mitokondria.
Protein pengangkut dalam mitokondria
Mitokondria merupakan organel yang berbentuk lonjong, biasanya dengan
panjang kurang lebih dua mikrometer dan diameter setengah mikrometer.
Mitokondria mengandung susunan rantai pernapasan, enzym-enzym siklus asam
sitrat dan enzym-enzym oksidasi asam lemak. mitokondria memiliki dua sistem
membran, membran luar dan membran dalam yang luas dan berlipat-lipat. Lipatan-
lipatan pada membran dalam disebut krista. Dua kompartemen dalam mitokondria
yaitu ruang antar membran (ruang antara membran dalam dan membran luar
mitokondria) dan matriks yang dibatasi membran dalam. Membran luar cukup
permeabel untuk sebagian besar molekul kecil dan ion, karena mengandung banyak
porin, suatu protein transmembran dengan pori besar. Sebaliknya hampir tidak ada
ion atau molekul polar yang dapat menembus membran dalam. Sekelompok besar
protein transport mengangkut metabolit seperti ATP dan sitrat, melalui membran
dalam kedalam matriks dan sebaliknya. Kedua sisi membran dalam disebut sisi
matriks (sisi negatif) dan sisi sitosol (sisi positif) karena potensial membran antara
dua sisi tersebut. Sisi ruang antar membran dikatakan sisi sitosol karena dapat
dicapai oleh hampir semua molekul kecil dalam sitosol.
ATP dan ADP tidak berdifusi bebas melintasi membran dalam mitokondria.
Suatu protein transport spesifik, ATP-ADP translokase (pembawa adenin nukleotida),
memungkinkan molekul yang tinggi muatan ini menyebrangi sawar permeabilitas
membran dalam mitokondria. Aliran ATP dan ADP terangkai secara antiport, ADP
masuk matriks bila ATP keluar matriks mitokondria, dan sebaliknya. Pertukaran ATP-
ADP sangat banyak mengunakan energi, kurang lebih seperempat energi yang
dihasilkan pada transfer elektron melalui rantai pernapasan.
Beberapa protein pengangkut atau pengemban mitokondria lain untuk ion dan
metabolite bermuatan bekerja dengan cara simport dan antiport. Pengemban fosfat,
bekerja bersama dengan translokase ATP-ADP, menyebabkan pertukaran antara Pi
(sebagai ion H2PO4
-
) dengan OH-
atau simport dari Pi dan H+. Kerjasama kedua
pengangkut ini, menyebabkan pertukaran ADP dan Pi sitosol dengan ATP matriks,
disertai masuknya satu H+. Pengemban dikarboksilat, memungkinkan malat, suksinat
dan fumarat dikeluarkan dari mitokondria secara antiport dengan Pi. Pengemban
trikarboksilat, mengangkut sitrat dan satu proton masuk mitokondria secara antiport
dengan malat. Pengemban piruvat, membawa masuk piruvat dari sitosol kematriks
mitokondria secara simport dengan H+ atau secara antiport dengan OH-
. Pengangkut
α ketoglutarat, membawa masuk α ketoglutarat secara antiport dengan malat.
Protein-protein pengangkut mitokondria ini dan lebih dari lima yang lainnya
mempunyai struktur yang sama. Membran dalam mitokondria bersifat permeabel
bebas terhadap molekul kecil yang tidak bermuatan, seperti air, oksigen, CO2, dan asam monokarboksilat (seperti 3-hidroksibutirat, asetoasetat, dan asetat ),
sedangkan asam lemak rantai panjang masuk mitokondria dengan pembawa
karnitin.
Kreatin fosfat mengangkut fosfat energi tinggi
Gerakan ulang alik kreatin fosfat memungkinkan pemindahan cepat fosfat
energi tinggi dari mitokondria kesitosol. Gerakan ini menguatkan fungsi kreatin fosfat
sebagai pendapar energi dengan bekerja sebagai suatu sistem yang dinamis untuk
pemindahan fosfat energi tinggi dari mitokondria pada jaringan yang aktif seperti
otot jantung dan otot skelet. Jumlah ATP pada otot hanya mencukupi untuk
menopang aktivitas produksi selama kurang dari satu detik. Otot vertebrata
mengandung gudang fosfat energi tinggi dalam bentuk kreatin fosfat (fosfokreatin),
yang dapat dengan mudah mentransfer fosfat energi tingginya ke ADP membentuk
ATP. Kreatin fosfat mempertahankan konsentrasi ATP tinggi selama periode kerja
otot.
Kreatin kinase yang ada pada ruang antar membran mitokondria,
mengkatalisa pemindahan fosfat energi tinggi dari ATP kepada kreatin. Selanjutnya,
kreatin fosfat yang terbentuk diangkut kesitosol melalui porin (pori-pori protein)
yang terdapat pada membran luar mitokondria. Isozym kreatin kinase yang berbeda
mengantarai pemindahan fosfat energi tinggi ke dan dari berbagai sistem yang
menggunakan atau menghasilkannya. CKa, kreatin kinase yang bertanggung jawab
terhadap kebutuhan ATP yang besar, seperti kontraksi otot. CKc, kreatin kinase
untuk mempertahankan keseimbangan antara kreatin dan kreatin fosfat, juga
keseimbangan ATP dan ADP. CKg, kreatin kinase yang menggabungkan glikolisis
pada kreatin untuk sintesa kreatin fosfat. Dan CKm, kreatin kinase mitokondria yang
memperantarai pembentukan kreatin fosfat dari ATP yang terbentuk melalui
fosforilasi oksidatif. Kreatin fosfat + ADP + H+ ⇔ ATP + kreatin, energi bebas
standart hidrolisa kreatin fosfat adalah –10,3 kkal/mol, dibandingkan dengan
hidrolisa ATP yang –7,3 kkal/mol maka, perubahan energi bebas standart pada
pembentukan ATP dari kreatin fosfat adalah –3 kkal/mol. Potensial transfer fosforil
kreatin fosfat yang lebih tinggi dari ATP, menyebabkan kreatin fosfat menjadi dapar
fosfat energi tinggi yang sangat efektif.
Kesimpulan
1. Reaksi berlangsung spontan bila terjadi pelepasan energi bebas (tG negatif)
yaitu reaksi tersebut bersifat eksergonik, dan jika tG positif, reaksi hanya
berlangsung bila diperoleh energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik.
2. ATP adalah zat perantara penukar energi bebas, yang merangkaikan proses-
proses yang bersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik.
3. Enzym oksidase dan dehidrogenase memiliki peran utama dalam proses rantai
pernapasan.
4. Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan menggunakan potensial
energi dari gradien proton untuk mensintesa ATP dari ADP dan Pi. Dengan
demikian jelas terlihat bahwa rangkaian reaksi oksidasi terangkai erat dengan
fosforilasi.
5. Terdapat sejumlah senyawa kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi
oksidasi dan peristiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi.
6. Terdapat protein pengangkut khusus untuk perlintasan beberapa ion dan
metabolit pada membran mitokondria.
DAFTAR PUSTAKA
- Champe P C PhD, Harvey R A PhD. Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry
2nd
.1994 : 61 – 72
- Lehninger A, Nelson D, Cox M M. Principles of Biochemistry 2nd
1993 : 364 - 394
- Murray R K, et al. Harper’s Biochemistry 25th
ed. Appleton & Lange. America 2000
: 123 - 148
- Stryer L.1995. Biochemistry 4th
: 184 – 187 ; 443 – 451 ; 488 – 498 ; 529 - 553
karnitin.
Kreatin fosfat mengangkut fosfat energi tinggi
Gerakan ulang alik kreatin fosfat memungkinkan pemindahan cepat fosfat
energi tinggi dari mitokondria kesitosol. Gerakan ini menguatkan fungsi kreatin fosfat
sebagai pendapar energi dengan bekerja sebagai suatu sistem yang dinamis untuk
pemindahan fosfat energi tinggi dari mitokondria pada jaringan yang aktif seperti
otot jantung dan otot skelet. Jumlah ATP pada otot hanya mencukupi untuk
menopang aktivitas produksi selama kurang dari satu detik. Otot vertebrata
mengandung gudang fosfat energi tinggi dalam bentuk kreatin fosfat (fosfokreatin),
yang dapat dengan mudah mentransfer fosfat energi tingginya ke ADP membentuk
ATP. Kreatin fosfat mempertahankan konsentrasi ATP tinggi selama periode kerja
otot.
Kreatin kinase yang ada pada ruang antar membran mitokondria,
mengkatalisa pemindahan fosfat energi tinggi dari ATP kepada kreatin. Selanjutnya,
kreatin fosfat yang terbentuk diangkut kesitosol melalui porin (pori-pori protein)
yang terdapat pada membran luar mitokondria. Isozym kreatin kinase yang berbeda
mengantarai pemindahan fosfat energi tinggi ke dan dari berbagai sistem yang
menggunakan atau menghasilkannya. CKa, kreatin kinase yang bertanggung jawab
terhadap kebutuhan ATP yang besar, seperti kontraksi otot. CKc, kreatin kinase
untuk mempertahankan keseimbangan antara kreatin dan kreatin fosfat, juga
keseimbangan ATP dan ADP. CKg, kreatin kinase yang menggabungkan glikolisis
pada kreatin untuk sintesa kreatin fosfat. Dan CKm, kreatin kinase mitokondria yang
memperantarai pembentukan kreatin fosfat dari ATP yang terbentuk melalui
fosforilasi oksidatif. Kreatin fosfat + ADP + H+ ⇔ ATP + kreatin, energi bebas
standart hidrolisa kreatin fosfat adalah –10,3 kkal/mol, dibandingkan dengan
hidrolisa ATP yang –7,3 kkal/mol maka, perubahan energi bebas standart pada
pembentukan ATP dari kreatin fosfat adalah –3 kkal/mol. Potensial transfer fosforil
kreatin fosfat yang lebih tinggi dari ATP, menyebabkan kreatin fosfat menjadi dapar
fosfat energi tinggi yang sangat efektif.
Kesimpulan
1. Reaksi berlangsung spontan bila terjadi pelepasan energi bebas (tG negatif)
yaitu reaksi tersebut bersifat eksergonik, dan jika tG positif, reaksi hanya
berlangsung bila diperoleh energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik.
2. ATP adalah zat perantara penukar energi bebas, yang merangkaikan proses-
proses yang bersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik.
3. Enzym oksidase dan dehidrogenase memiliki peran utama dalam proses rantai
pernapasan.
4. Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan menggunakan potensial
energi dari gradien proton untuk mensintesa ATP dari ADP dan Pi. Dengan
demikian jelas terlihat bahwa rangkaian reaksi oksidasi terangkai erat dengan
fosforilasi.
5. Terdapat sejumlah senyawa kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi
oksidasi dan peristiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi.
6. Terdapat protein pengangkut khusus untuk perlintasan beberapa ion dan
metabolit pada membran mitokondria.
DAFTAR PUSTAKA
- Champe P C PhD, Harvey R A PhD. Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry
2nd
.1994 : 61 – 72
- Lehninger A, Nelson D, Cox M M. Principles of Biochemistry 2nd
1993 : 364 - 394
- Murray R K, et al. Harper’s Biochemistry 25th
ed. Appleton & Lange. America 2000
: 123 - 148
- Stryer L.1995. Biochemistry 4th
: 184 – 187 ; 443 – 451 ; 488 – 498 ; 529 - 553
No comments:
Post a Comment