Fosforilasi Oksidatif

Oleh Zaenal Arifin S.Kep.Ns.M.Kes

DefinisiFosforilasi oksidatif merupakan proses

pembentukan ATP akibat transfer elektron dan NADH atau FADH2 ke O2 melalui serangkaian pengemban elektron (rantai respirasi).

Proses ini terjadi pada membran dalam mitokondria.

Proses ini merupakan sumber utama pembentukan ATP pada organisme aerob.

Manfaat biomedisManusia hidup memerlukan energi.Energi ini

tersedia dalam bentuk ATP.Disfungsi rantai respirasi dapat

menyebabkan sindrom MELAS ( Mitokondrial Myopathy, Encephalopathy, Lactacidosis dan Stroke).

Struktur dan fungsi mitokondriaMitokondria adalah organel yang ukuranya

sebesar bakteri (1 x 2 µm), terdapat pada hampir semua sel eukariotik.

Pada tiap sel dijumpai sekitar 2000 mitokondria.

Mitokondria dilindungi oleh dua membran yaitu satu membran mitokondria bagian luar dan satu bagian dalam berlipat (krista).

lanjutan

Membran bagian luar membentuk pori-pori yang dapat dilewati molekul yg kecil dari 10 kDa.Membran mitokondria bagian dalamtidak dapat dilewati langsung hampir seluruh molekul kecuali O2, CO2 dan H2O.

Mitokondria sebagai pembangkit energi sel.Dimitokondria berlangsung proses perubahan

piruvat menjadi aetil-KoA,daur asam sitrat, rantai pernafasan dan sintesis ATP ( bersama-sama dikenal sebagai fosforilasi oksidatif).

Rantai RespirasiMengumpulkan, mengangkut unsur equivalen

pereduksi (H+) dan memberikan pada reaksi akhir yaitu oksigen untuk membentuk air.

Transport elektron ini mengalirkan elektron dari elektromagnetik ke sistem elektron yg memiliki Eo lebih (elektropositip).

Setiap anggota rantai respirasi bersifat spesifik bagi senyawa pemberi dan penerima elektron, misal NADH memindahkan elektron ke NADH dehidrogenase, tetapi tak dapat memidahkan elektron secara langsung ke sitokrom b atau sitokrom c.

Bagan Rantai Respirasi Asam amino Piruvat asam lemak

NH2 CO2 CO2 2H 2H tahap I 2H asetil KoA

Oksaloasetat sitrat

Malat isositrat 2H CO2 2H

Fumarat alpa ketoglutarat CO2 2H

Suksinat suksinil KoA 2H

GTP tahap II

NADH 2e- ADP + Pi

NADH dehidrogenase 2e- ATP

Ubiquinon 2e- ADP +Pi

Sitokrom b tahap III 2e-

Sitokrom c1 ATP 2e-

Sitokrom c ADP +Pi 2e-

Sitokrom oksidase ATP

2e-2H + 1/2O2 H2O

Rantai pernafasanAda 4 kompleks :

NADH-Q-reduktase (NADH-dehidrogenase).Suksinat-Q-reduktase, komplek ini yg tidak

temasuk pompa proton.Sitokrom reduktaseSitokrom oksidase

Komplek I NADH DehidrogenaseNADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+

NADH FMN Fe-S tered Q

NAD+ FMNH2 Fe-S teroks QH2

lanjutan

NADH dehidrogenase membran mitokondria sebelah dalam hanya dalam menerima elektron dari NADH dalam matrik, karena membran dalam tidak permeabel terhadap NADH dari matrik maupun sitosol sehingga NADH dari glikolisis di luar mitokondria diperlukan sistem yg mengangkut equivalen pereduksi sitosol (sistem ulang-aling malat-aspartat).

lanjutan

Equivalen pereduksi NADH sitosol pertama-tama dipindahkan ke oksaloasetat sitosol,oleh malat dehidrogenase sitosol menghasilkan malat.

Malat yang terbentuk membawa equivalen pereduksi diangkut melalui membran dalam oleh sistem dikarboksilat.

Equivalen pereduksi kemudian dipindahkan ke NAD+ matriks oleh malat dehidrogenase pada matriks, mereduksi NAD+ menjadi NADH.NADH yg dihasilkan dioksidasi oleh rantai transport elektron mitokondria.

lanjutan

Oksaloasetat yg terbentuk tak dapat melalui membran dari matriks kembali ke sitosol, tetapi diubah oleh transaminase menjadi aspartat, yg dapat melewati membran dg bantuan sistem transport asam amino.

Pada komplek I ini terpompa empat H+ dari matriks ke sisi sitosol membran dalam mitokondria.

Mekanisme konversi potensial elektron menjadi daya gerak proton belum diketahui.

Ubiquinon (Q=koenzim Q)Suatu kinon hidrofik yg berdifusi cepat di

membran dalam mitokondria.Ubiquinon juga membawa elektron dari

NADH dan FADH2Pembentuk lipid mitokondriaRumus bangun mirip vitamin K dan vitamin E

Kompleks II suksinat-Q-reduktaseDari daur asam sitrat pada oksidasi

suksinat menjadi fumarat oleh suksinat DH-ase (bag komplek II). FADH2 tidak meninggalkan komplek. Elektronnya ditransfer ke pusat Fe-S kemudian ke Q (masuk ke rantai pernasan).

Gliserol fosfat dehidrogenase dan asil ko A dehidrogenase yg menstransfer elektron potensial tinggi ke Q membentuk QH2 (Quinol, bentuk tereduksi).

Lanjutan komplek II

Komplek II tidak memompa proton karena perubahan energi bebas dari reaksi yg dikatalisis terlalu kecil

Komplek III Sitokrom ReduktaseSitokrom merupakan protein pemindah

elektron yg mengandung hem sebagai gugus prostetik.

Sitokrom reduktase ini mengandung sitokrom b1, komplek Fe-S dan sitokrom c.

Sitokrom tersusun dalam urutan potensial redoks yg meningkat (b-c1-c-a3).

Sitokrom b menerima elektron dari ubiquinon dan sitorom c1 selanjutnya memberikan elektron yang diterima ke sitokrom c.

Komplek IV sitokrom oksidaseMengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c (bentuk tereduksi) ke O2

4 sit c (+2) +4 H+ + O2 4 sit c (+3) + 2 H2O

Sitokrom oksidase mengandung:2 gugus hem A yaitu hem a, hem a32 ion tembaga yaitu CuA dan CuB. Sitokrom oksidase mempunyai afinitas yg

sangat tinggi tehadap oksigen sehingga memungkinkan rantai respirasi berfungsi dengan kecepatan maksimum sampai jaringan kehabisan O2. Reaksi ini irreversibel

lanjutan

Empat elektron dialirkan ke O2 untuk direduksi sempurna menjadi 2 H2O dan secara bersamaan proton dari matrik mitokondria dipompa ke sisi sitosolmembran dalam mitokondria.

Jika hanya 2 elektron yg dialirkan ke O2 hingga O2 hanya tereduksi sebagian maka produknya adalah hidrogen peroksida (H2O2). Jika O2 menerima hanya 1 elektron maka produk yang dihasilkan radikal superoksida (O2

-).2O2 + 2H+ --------SOD---------- H2O2 +O2

2H2O2------------Katalase------- 2H2O + O2

Mekanisme Fosforilasi OksidatifHipotesis kimiawi sekarang kurang diyakini

kebenaranya.Teori kemiaosmotik dari mitcell.

Teori kemiaosmotik MitcellEnergi dari oksidasi komponen rantai

respirasi menghasilkan ion hidrogen (proton H+), yg dipompakan keluar membran, yg digerakkan oleh komplek rantai respirasi I,III dan IV sebagai pompa proton. Hingga mengakibatkan perbedaan potensial.

Selisih perbedaan potensial terdiri dari potensial elektrokimia (selisih PH) dan potensial listrik.

Sehingga ruangan matrik sebelah dalam menjadi basa dan medium lingkungannya menjadi lebih asam.

lanjutanTerjadinya perbedaan potensial listrik

sepanjang membran dalam, karena pergerakan H+ dari matrik ke luar menyebabkan daerah luar membran menjadi lebih elektropositif dan daerah sebelah dalam bersifat elektronegatif.F1, F0 sub unit protein mitokondria yang menggunakan energi dari gradien proton untuk meningkatkan fosforilasi.

Enzim ATP sintase yg berada dalam membran membentuk ATP Selisih potensial elektrokimia yg digunakan

untuk menggerakkan enzim ATP sintase terdapat pada F, yaitu sub unit membran dalam yg menjulur ke dalam matrik.

Enzim ini dengan adanya ADP + Pi diubah menjadi ATP.

Zat yang menghambat fosforilasi oksidatifA.Inhibitor rantai respirasi

1.Mencegah oksidasi subtrat yg berhubungan langsung dengan rantai respirasi melalui enzim dehidrogenase berikatan NAD dengan menyekat pemindahan dari Fe-S ke Q yaitu:

a. Gol barbiturat: amobarbitol. b. Antibiotik piesidin A.

c. Insektisida serta racun ikan rotenon.

lanjutan

2.Inhibisi komplah IIInhibitor kompetitif enzim suksinat

dehidrogenase malonat.Hambat pemindahan unsur ekuivalen pereduksi

dari enzim suksinat dehidrogenase ke Q yaitu: Karboksin dan TTFA (Fe-chelating agent), menghambat rantai respirasi antara sitokrom b dan c yaitu: dimerkaprol dan antimisin A. Menghambat sitokrom oksidase dapat menghentikan rantai respirasi secara total misal: H2S, CO dan Sianida. Manusia yg keracunan ketela akan menghambat komplek IV rantai pernafasan ini, karena ketela mengandung KCN.

lanjutan

B.Inhibitor fosforilasi oksidatif:Oligomisin: blokade proses fosforilasi pada F0

(Faktor O).Atraktilosid hambat F0 yg menghambat

pengangkutan ADP ke dalam mitokndria dan ATP ke luar mitokondria.

C.Pemutus rangkaian (uncoupler).Memisahkan oksidasi rantai pernafasan

dengan fosforilasi (in vivo), sehingga membuat rantai respirasi tak terkendali oleh karena konsentrasi ADP atau Pi tidak lagi membatasi laju respirasi. Cotoh: 2,4 diklorofenol, dinitrokresol, pentaklorofenol.

lanjutan

Kelainan didapat pada mitokondriaKeracunan tempe bongkrek (asam bongkrek)

inhibitor dari adenine nucleotida transporter (ANT).

ANT: protein tansmemban mitokondria yg berfungsi: transpor ADP dari sitoplasma ke organel. Transpor ATP dari mitokondria keluar.

TherapiTergantung strategi metabolik by pass dengan

cara membuat jalan pintas. Cotoh: Myopathy (defisiensi kompleks respirasi III). Terapi dengan menadion dan vitamin C dosis tinggi yang berfungsi sebagai akseptor elektron.

Sindrom MELAS (mitokondria Myopathy, Enchepalopaty, Lactacidosis dan Stroke). Terapi dengan menukar mitkondria DNA cacat dengan mitokondria DNA normal dengan cara nuclear transfer, fertilisasi in vitro.

WassalamualaikumSelamat belajar