MAKALAHBIOLOGI SEL DAN MOLEKULERSTRUKTUR DAN FUNGSI
MITOKONDRIA
Oleh :Kelompok IVMahardika Himas Nugraeni (13304241047)Maryatul
Qibtiyah(13304241059)Fitarahmawati (13304241062) Ajeng Narulita
Kusumas Tuti (13304244005)An Nisaa Rakhmi(13304244028)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGIJURUSAN PENDIDIKAN
BIOLOGIFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS
NEGERI YOGYAKARTA
PENDAHULUANMitokondria adalah tempat di mana fungsi respirasi
pada makhluk hidup berlangsung. Respirasi merupakan proses
perombakan atau katabolisme untuk menghasilkan energi atau tenaga
bagi berlangsungnya proses hidup. Dengan demikian, mitokondria
adalah pembangkit tenaga bagi sel (Purnobasuki, 2011).Berdasarkan
hipotesis endosimbiosis mitokondria berasal dari sel eukariotik
yang bersimbiosis dengan prokariot (bakteri) sehingga membentuk
organel sel (Marguilis, 1981). Adanya DNA pada mitokondria
menunjukkan bahwa dahulu mitokondria merupakan entitas yang
terpisah dari sel inangnya dan hipotesis ini ditunjang oleh
beberapa kemiripan mitokondria dengan bakteri. Mitokondria ini
menyerupai bakteri mulai dari bereproduksi dengan cara membelah
diri menjadi dua, memiliki sistem genetik sendiri, dan memiliki
ribosom. Ribosom mitokondria lebih mirip dengan bakteri
dibandingkan dengan ribosom yang dikode oleh inti sel eukariot
(Cooper,2000).Mitokondria banyak terdapat pada sel yang memilki
aktivitas metabolisme tinggi dan memerlukan banyak ATP dalam jumlah
banyak, misalnya sel otot jantung. Jumlah dan bentuk mitokondria
bisa berbeda-beda untuk setiap sel. Mitokondria berbentuk elips
dengan diameter 0,5 m 1,0 m dan panjang 1 -3 m. Struktur
mitokondria terdiri dari empat bagian utama, yaitu membran luar,
membran dalam, ruang antar membran, dan matriks yang terletak di
bagian dalam membran [Cooper, 2000].Mitokondria berputar dan
berubah bentuk menjadi bermacam macam konformasi. Satu mitokondria
dapat menunjukkan perubahan bentuk dalam perjalanan waktu. Pada
otot lurik dan sel sel lain yang mitokondrianya tidak terdapat
bebas dalam sitosol plastisitas strukturnya berkurang. Plastisitas
dan gerak mitokondria dalam sel menjamin penyebarluasan ATP di
seluruh sel yaitu di tempat tempat yang memerlukan ATP (Siregar,
1990).
1. Struktur Mitokondria
Gambar 1. Struktur Mitokondria secara umumMitokondria banyak
terdapat pada sel yang memilki aktivitas metabolisme tinggi dan
memerlukan banyak ATP dalam jumlah banyak, misalnya sel otot
jantung. Jumlah dan bentuk mitokondria bisa berbeda-beda untuk
setiap sel. Misal pada ganggang tidak berwarna Leucathrix dan
Vitreoscilla tidak mempunyai mitokondria. Spermatozoa dan
flagellata tertentu seperti Chromulina hanya memiliki satu
mitokondria per sel, Hati memiliki kurang lebih 800 mitokondria per
sel. Pada beberapa keadaan terdapat kaitan langsung antara jumlah
mitokondria pe sel dengan keperluan metabolisme sel ( Siregar,
1990). Mitokondria berbentuk elips dengan diameter 0,5 m 1,0 m dan
. Struktur mitokondria terdiri dari empat bagian utama, yaitu
membran luar, membran dalam, ruang antar membran, dan matriks yang
terletak di bagian dalam membran [Cooper, 2000].
Gambar 2. Membran luar mitokondria dengan porinMembran luar
terdiri dari protein dan lipid dengan perbandingan yang sama serta
mengandung protein porin yang menyebabkan membran ini bersifat
permeabel terhadap molekul-molekul kecil yang berukuran 6000
dalton. Dalam hal ini, membran luar mitokondria menyerupai membran
luar bakteri gram-negatif. Selain itu, membran luar juga mengandung
enzim yang terlibat dalam biosintesis lipid dan enzim yang berperan
dalam proses transpor lipid ke matriks untuk menjalani oksidasi
menghasilkan Asetil KoA (Purnobasuki, 2011).Dengan sifat membran
yang permiabel terhadap molekul molekul di sitosol, maka pada ruang
antar membran secara kimiawi berisi cairan yang sama seperti di
sitosol. Ruang antar membarn mengandung beberapa enzim yang
digunakan untuk mengeluarkan ATP dari matrix untuk memfosfolirasi
nuleotida lain ( Albert, 2008 : 818)
Gambar 3. Membran luar, ruang antar membran, dan membran dalam
mitokondria dengan cristae dan beberapa protein yang terdapat di
membran dalam
Membran dalam yang kurang permeabel dibandingkan membran luar
terdiri dari 20% lipid dan 80% protein. Membran ini merupakan
tempat utama pembentukan ATP. Luas permukaan ini meningkat sangat
tinggi diakibatkan banyaknya lipatan yang menonjol ke dalam
matriks, disebut krista [Lodish, 2001].
Gambar 4. Krista dan matriks mitokondriaStuktur krista ini
meningkatkan luas permukaan membran dalam sehingga meningkatkan
kemampuannya dalam memproduksi ATP. Membran dalam mengandung
protein yang terlibat dalam reaksi fosforilasi oksidatif, ATP
sintase yang berfungsi membentuk ATP pada matriks mitokondria,
serta protein transpor yang mengatur keluar masuknya metabolit dari
matriks melewati membran dalam ( Purnobasuki, 2011).Struktur
morfologi yang paling bervariasi adalah krista. Dalam satu sel
tertentu krista biasanya seragam dan khas bagi sel itu. Dalam tipe
tipe sel yang berbeda, bentuk krista sangat berbeda. Sebagian besar
mitokondria mempunyai krista seperti lamela atau seperti tubul.
Krista yang berbentuk seperti lamela adalah yang paling umum,
lamela relatif paralel atau bertumpuk tumpuk teratur. Sebagai
contoh yaitu mitokondria pankreas dan ginjal (Siregar,1990).Menurut
tulisan dari Purnobasuki (2011) dan Albert (2008) matrix merupakan
tempat berlangsungnya reaksi-reaksi yang penting bagi sel, seperti
reaksi oksidasi piruvat, siklus Krebs, reaksi oksidasi asam amino,
dan reaksi oksidasi asam lemak. Di dalam matriks mitokondria juga
terdapat materi genetik, yang dikenal dengan DNA mitkondria
(mtDNA), ribosom, ATP, ADP, tRNA, berbagai enzim untuk eksperesi
gen mitokondria, fosfat organik serta ion-ion seperti magnesium,
kalsium dan kalium .
Gambar 5. DNA mitokondriaDNA mitokondria terdapat dalam bentuk
sirkular tunggal atau catenated, yaitu dua atau lebih untai
berkaitan bersama sama seperti kaitan dalam rantai, didalam matriks
mitokondria. Satu mitokondria biasanya memiliki 2-6 kopi DNA,
sehingga jumlah mtDNA per sel mencapai 108 atau bergantung pada
jumlah mitokondria tipe tertentu (Siregar,1990).Peran mtDNA dalam
mitokondria sama dengan peran DNA inti sel eukaruot, yaitu
memproduksi rRNA, tRNA, dan mRNA. Sistem genetika mitokondria
sangat bergantung kepada sistem genetika inti. Translasi dan
trankripsi bergantung pada genetik inti. Bahan bahan tertentu
seperti rRNA, tRNA, dan mRNA tidak bergantung pada inti tetapi
protein tertentu ditentukan oleh inti seperti protein ribosom, RNA
polimerase, DNA polimerasi, tRNA aminoasil sintetase dan faktor
faktor sintesis protein. Fenomena yang menarik adalah mtDNA tidak
dapat diekspresi dan direplikasi tanpa bantuan inti (Siregar,
1990).Sistem semiotonom mitokondria terlihat dari cara sintesis
ribosom mitokondria. RNA ribosom mitokondria ditanskripsi di mtDNA
sedang protein ribosom mitokondria ditranskripsi dari DNA inti,
kemudian ditranslasi pada ribosom sitoplasma dan akhirnya diangkut
ke dalam mitokondria untuk perakitan partikel nukleotida (ribosom)
(Siregar, 1990).
GLIKOLISISGlikolisis adalah urutan reaksi-reaksi yang
mengkonversi glukosa menjadi piruvat bersamaaan dengan produksi
sejumlah ATP yang relatif kecil (Stryer,2000).Glikolisis adalah
suatu proses pemecahan enzimatik sebuah molekul glukosa yang
mengandung 6 buah atom C sehingga akhirnya menghasilkan 2 molekul
asam piruvat, yang masing-masing mengandung 3 atom C (Bawa,
1998).Pada organisme aerob, glikolisis adalah pendahuluan daur asam
sitrat dan transpor elektron, yang bersama-sama meembebaskan
sebagian besar enerzgi yang tersimpan pada glukosa. Pada keadaan
aerob piruvat masuk mitokondria, tempat piruvat dioksidasi lengkap
menjadi CO2 dan H2O. Jika penyediaan oksigen tidak mencukupi,
seperti pada otot yang sedang aktif berkontraksi, piruvat
dikonversi menjadi laktat. Pada keadaan anaerob, ragi
mentransformasi piruvat menjadi etanol. Pembentukan etanol dan
laktat dari glukosa merupakan contoh fermentasi
(Stryer,2000).Glikolisis terjadi di sitoplasma sel dan tiap
tahapannya membutuhkan enzimsebagai katalisator.Tahapan-tahapan
reaksi biokimia pada glikolisis ditemukan oleh seorang ahli
biokimia bangsa Jerman, Embden-Meyrhoff, sehingga glikolisis juga
dikenal sebagai reaksi Embden-Meyrhoff. Tahapan tersebut dapat
dibagi menjadi dua fase. Fase pertama terdiri dari lima tahapan
yang pertama, merupakan fase persiapan. Dalam fase ini berlangsung
pengaktivan molekul glukosa dengan proses fosforilasi enzimatik,
sehingga akhirnya terbentuk molekul gliseraldehida-3-fosfat.
Termasuk di dalam fase ini adalah heksosa yang lainnya. Fase kedua
berupa lima tahapan reaksi yang berikutnya. Berlangsungnya
pengubahan dua molekul gliseraldehida-3-fosfat menjadi dua molekul
asam piruvat, dengan menghasilkan dua molekul ATP. (Bawa,1988).
Tahapan reaksi dalam glikolisis adalah sebagai berikut :
1. FOSFORILASI GLUKOSA
Glukosa memasuki sel dan difosforilasi oleh enzim heksokinase,
yang mentransfer gugus fosfat dari ATP ke gula menjadi
glukosa-6-fosfat. Heksokinase membutuhkan Mg (atau ion bivalen
lainnya seperti Mn) untuk aktivitasnya. Heksokinase merupakan enzim
penting atau enzim alosterik yang aktivitasnya dihambat oleh
produknya sendiri.ATP dibutuhkan pada proses ini untuk mengaktifkan
selulosa. Muatan listrik guggus fosfat menjebak gula tadi di dalam
sel karena ketidakpermeabelan membran plasma terhadap ion.
Fosforilasi glukosa jugamembuat molekulnya secara kimiawi lebih
reaktif. Reaksi yang terjadi bersifat irreversible. Tahapan ini
terdapat di semua jenis sel.
2. PENGUBAHAN GLUKOSA 6 PHOSPATE MENJADI FRUKTOSA 6 FOSFAT
Glukosa-6-fosfat disusun ulang untuk mengubahnya
menjadiisomernya, fruktosa-6-fosfat. Dalam fase ini memerlukan
enzim fosfoglukoisomerase untuk katalisator dalam proses isomerasi
ini. Terjadi perubahan isomer dari aldosa ke ketosa. Reaksi ini
berlangsung dengan cepat karena standar energi bebas yang kecil
yaitu sebesar +1,7 Kj/mol.
3. FOSFORILASI FRUKTOSA 6 FOSFAT MENJADI FRUKTOSA 6 FOSFAT
Dalam langkah ini, molekul ATPnlain masih diinvestasikan dalam
glikolisis, terjadi proses fosforilasi. Enzim mentransfer gugus
fosfat dari ATP ke gula. Sampai sejauh ini, neraca ATP menunjukkan
hasil 2 ATP. Dengan gugus fosfat pada ujung-ujung yang berlawanan,
gula ini sekarang siap diuraikan menjadi setengahnya. Katalisasi
dilakukan oleh enzim fosfofruktokinase, yang memerlukan bantuan Mg.
Senyawa yang dihasilkan tersebut dulu dikenal dengan nama fruktosa
1,6-difosfat. Bisfosfat berarti dua gugus fosfat terpisah,
sedangkan difosfat (seperto adenosin difosfat) berarti dua gugus
fosfat terikat melalui ikatan anhidrida. Karenanya, hendaknya
digunakan naman fruktosa 1,6-bisfosfat.4. PENGURAIAN MOLEKUL
FRUKTOSA 1,6 BIFOSFAT
Dari reaksi inilah muncul nama glikolisis. Enzim aldolase
menguraikan molekul gula menjadi dua gula berkarbon tiga yang
berbeda (triosa): gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksiaseton
fosfat. Kedua gula ini merupakan satu isomer satu sama lain5.
PENGUBAHAN DIHIDROKSIASETONFOSFAT MENJADI GLISERALDEHID 3
FOSFAT
Dari dua jenis molekul yang dibentuk oleh aldose, hanya
gliseraldehid-3-fosfat yang dapat mengalami degradasi lebih lanjut
dalam glikolisis. Dihidroksiasetonfosfat adalah ketosa, sedangkan
gliseraldehi-3-fosfat adalah aldosa. Karena itu,molekul
dihidroksiaseton fosfat harus diubah menjadi
gliseraldehid-3-fosfat. Isomerasi gula tiga karbon terfosforilasi
ini dikatalis oleh triosa fosfat isomerase. Reaksi ini cepat dan
reversible.6. OKSIDASI GLISERAL 3 FOSFAT MENJADI 1,3 BISFOSFAT
Pada tahap ini molekul gliseraldehid-3-fosfat mengalami oksidasi
(melepaskan atom H) ddan fosforilasi sehingga terbentuk molekul
1,3-bisfosfogliserat. Gugusan fosfat berasal dari fosfat anorganik
yang terdapat bebas di dalam sitoplasma. Reaksi ini dibantuk oleh
enzim gliseraldehid fosfat dehidrogenase dengan bantuan koenzim
NAD. Karena NAD mengalami reduksi, terbentuklah NADH DAN H, yang
membawa dua elektron. Reaksi ini menghasilkan molekul
1,3-bisfosfat.7. PEMINDAHAN GUGUSAN FOSFAT DARI 1,3
BISFOSFATGLISERAT KE MOLEKUL ADP
Pada tahap inimolekul 1,3-bisfosfogliserat melepaskan sebuah
gugusan fosfat (defosforilasi) sehingga terbentuk 3-fosfogliserat.
Reaksi ini dibantu oleh enzim fosfogliseratkinase, sedangkan gugus
fosfat yang terlepas digunakan untuk membentuk sebuah ATP dari
molekul ADP.Akhirnya, glikolisis menghasilkan sejumlah ATP. Gugus
fosfat yang ditambahkan dalam langkah sebelumnyaditransfer ke ADP
dalam suatu reaksi eksergonik. Untuk setiap molekul glukosa yang
memulai glikolisis, langkah 7 menghasilkan 2 molekul ATP,karena
setiap produk setelah langkah penguraian gula (langkah 4)
digandakan. Tentu saja, 2 ATP telah diinvestasikan sebelumnya untuk
membuat gula ini siap diuraikan .Neraca ATP sekarang menjadi nol.
Pada akhir langkah 7 ini, glukosa telah diubah menjadi 2 molekul
3-fosfogliserat. Senyawa ini bukanlah gula. Gugus karbonil yang
menandakan gula telah dioksidasi menjadi gugus karboksil, merupakan
ciri asam organik. Gula telah dioksidasi dalam langkah 6 dan
sekarang energi yang disediakan oleh oksidasi itu telah digunakan
untuk membuat ATP.8. PENGUBAHAN 3 FOSFOGLISERAT MENJADI 2
FOSFOGLISERAT
Selanjutnya, enzim fosfogliserat mutase merelokasi gugus fosfat
yang tersisa. Pada umumnya, mutase adalah enzim yang mengkatalis
pergeseran intramolekul gugus kimia,misalnya satu gugus fosforil.
Hal ini mempersiapkan substrat untuk reaksi berikutnya9. DEHIDRASI
2 FOSFOGLISERAT MENJADI FOSFOENOL PIRUVAT
Suatu enzim membentuk ikatan ganda dalam substrat dengan cara
mengekstraksi suatu molekul air untuk membentuk fosfoenolpirufat
atau PEP (merupakan reakssi dehidrasi sederhana). Ini menyebabkan
elektron subbstrat disusun ulang sedemikian rupa sehingga ikatan
fosfatnya yang tersisa menjadi sangat tidak stabil, yaitu
mempersiapkan substrat untuk reaksi berikutnya. Reaaksi ini dibantu
oleh enzim enolase.
10. PEMINDAHAN GUGUSAN FOSFAT DARI FOSFOENOL PIRUVAT KE ADP
Pada tahap ini molekul fosfoenol piruvaat melepaskan gugusan
fosfatnya sehingga terbentuk asam piruvat. Gugusan fosfat tersebut
digunakan untuk membentuk molekul ATP dari molekul ADP. Reaksi ini
dibantu oleh enzim piruvat kinase.Karena langkah ini terjadi dua
kali untuk setiap molekul glukosa, neraca ATP sekarang menunjukkan
selisih perolehan 2 ATP. Langkah 7 dan 10 masing-masing
menghasilkan 2 ATP sehingga keseluruhan membayar kembali investasi
ATP. Energi tambahan disimpan oleh langkah 6 dalam NADH, yang dapat
digunakan untuk membuat ATP melalui fosforilasi oksidatif jika
oksigen ada. Sementara itu, glukosa telah dipecah dan dioksidasi
menjadi dua molekul piruvat, merupakan produk akhir dari jalur
glikolisis ini.Jadi dalam reaksi glikolisis aerob ini menghasilkan
2 NADH, 2 ATP, dan 2 asampiruvat
Dekarboksilasi Oksidatif
(Campbell, 2008: 170)
Piruvat dioksdasi dalam reaksi dekarboksilasi tunggal yang
memecah satu dari tiga atom karbon piruvat. Atom karbon ini
kemudian keluar sebagai CO2. Reaksi ini membentuk gugus dua atom
yang disebut gugus asetil, yang dikenal sebagai pasangan elektron
dan berasosiasi dengan hidrogen dengan mereduksi NAD+ menjadi NADH.
Pada reaksi, gugus asetil meninggalkan piruvat bergabung dengan
kofaktor yang disebut Koenzim A, membentuk senyawa yang disebut
Asetil-KoA. Reaksinya adalah sebagai berikut : Piruvat + NAD+ + KoA
Asetil-KoA + NADH + CO2Reaksi ini menghasilkan satu molekul NADH,
yang kemudian digunakan untuk memproduksi ATP, dan menghasilkan
Asetil-KoA. Asetil KoA penting karena dihasilkan dari berbagai
mekanisme metabolisme. Hampir semua molekul yang dikatabolis untuk
energi diubah kedalam bentuk Asetil-KoA. Asetil-KoA adalah kunci
dari berbagai proses metabolisme (Johnson, 2011 : 168).Piruvat
memasuki mitokondria melalui transpor aktif yang dibantu oleh
protein transpor. Gugus karboksil piruvat, yang telah dioksidasi
sepenuhnya sehingga hanya memiliki sedikit energi kimia,
disingkirkan dan dilepaskan sebagai CO2. Fragmen berkarbon 2 yang
tersisa dioksidasi, membentuk senyawa yang dinamakan asetat. Suatu
enzim mentransfer elektron-elektron yang terekstrasi ke NAD+,
menyimpan energi dalam bentuk NADH. Koenzim A, suatu senyawa
mengandung sulfur yang berasal dari vitamin B diletakkan ke asetat
oleh suatu ikatan tak stabil yang membuat gugus asetil A (asetat
yang melekat menjadi sangat reaktif). Karena sifat kimia gugus KoA,
produk penyiapan kimiawi ini, asetil KoA, memiliki energi potensial
yang tinggi. Molekul tersebut siap memasuki gugus asetilnya ke
dalam siklus asam sitrat untuk dioksidasi lebih lanjut (Campbell,
2008 : 170). (Johnson, 2011: 168)
1. Siklus KrebsSetelah glikolisis merombak glukosa menjadi
piruvat, dan piruvat dioksidasi untuk membentuk asetil KoA, langkah
ketiga pembentukan energi dari glukosa dimulai. Pada tahap ini,
asetil KoA dioksidasi dalam serangkaian reaksi disebut siklus asam
sitrat dan terjadi di matriks mitokondria (Johnson, 2011). Siklus
asam sitrat disebut juga siklus trikarboksilat dan siklus Krebs,
ditemukan oleh Hans Krebs, ilmuwan Jerman pada tahun 1930an
(Solomon, 2008). Siklus Krebs merombak asetil KoA, menghasilkan
CO2, atom hidrogen, dan ATP (Postletweit, 2006).Reaksi pada Siklus
Krebs :Siklus Krebs terdiri atas sembilan rangkaian reaksi yang
digunakan sel untuk ekstraksi elektron dan digunakan untuk sintesis
ATP. Sebuah gugus beratom karbn dua dari asetil KoA memasuki siklus
pada awal reaksi, dan dua molekul CO2 dan beberapa elektron
diberikan selama siklus berlangsung (Johnson, 2011)(Campbell,
2008).Reaksi 1 : KondensasiGugus beratom karbon dua dari asetil KoA
bergabung dengan molekul beratom karbon empat, oksaloasetat,
membentuk molekul beratom karbon enam, sitrat. Reaksi kondensasi
ini irreversible, memasukan gugus asetil beratom karbon empat
kedalam siklus Krebs. Reaksi ini dihambat ketika konsentrasi ATP
dalam sel tinggi dan dilakukan ketika konsentrasi ATP dalam sel
rendah. Oleh sebab itu, ketika sel memiliki ATP dalam jumlah
banyak, siklus Krebs berhenti dan asetil KoA diubah kedalam
sintesis lemak.Reaksi 2 dan 3 : IsomerasiSebelum reaksi oksidasi
dimulai, gugus hidroksil (-OH) pada sitrat harus digantiposisikan.
Berlangsung dalam dua langkah, pertama, sebuah molekul air dilepas
dari satu atom karbon, kemudian molekul air akan menambah sebuah
atom karbon yang berbeda. Sebagai hasil, sebuah gugus H dan gugus
OH akan berubah posisi. Produk dari isomer sitrat adalah
isositrat.
Reaksi 4 : Oksidasi PertamaPada pembentukan energi tahap
pertama, isositrat akan memasuki reaksi dekarboksilasi. Pertama,
isositrat dioksidasi menghasilkan pasangan elektron yang mereduksi
sebuah molekul NAD+ menjadi NADH. Kemudian, oksidasi intermediet
adalah dekarboksilasi; atom karbon utama terpecah membentuk CO2,
menghasilkan molekul beratom karbon lima disebut
-ketoglutarat.Reaksi 5 : Oksidasi KeduaKemudian, -ketoglutarat
dikarboksilasi oleh kompleks multienzim yang sama dengan piruvat
dehidrogenase. Gugus suksinil lepas setelah pelepasan CO2 bergabung
dengan koenzim A, membentuk suksinil KoA. Pada proses, dua elektron
diekstraksi, dan mereduksi molekul lain dari NAD+ menjadi
NADH.Reaksi 6 : Fosforilasi Tingkat SubstratIkatan antara gugus
suksinil beratom karbon empat dan KoA merupakan ikatan berenergi
tinggi. Sama halnya dengan reaksi pada glikolisis, ikatan ini
dipecah dan menghasilkan energi yang memacu fosforilasi guanosine
diphosphate (GDP), membentuk GTP. GTP siap diubah menjadi ATP, dan
fragmen beratom karbon empat yang masih disebut suksinat. Reaksi 7
: Oksidasi KetigaKemudian, suksinat dioksidasi menjadi fumarat.
Energi bebas pada reaksi ini tidak cukup besar untuk mereduksi
NAD+. Sehingga FAD yang merupakan aseptor elektron direduksi
menjadi FADH2 dengan menyumbang elektron untuk rantai transport
elektron pada membran. FAD tidak bebas untuk berdifusi kedalam
mitokondria; pada bagian integral dari membrane dalam mitokondria.
Reaksi 8 dan 9 : Regenerasi OksaloasetatPada dua reaksi terakhir
pada siklus, sebuah molekul air ditambahkan ke fumarat membentuk
malat. Malat kemudian dioksidasi menghasilkan molekul beratom karbo
empat, oksaloasetat, dan dua elektron yang mereduksi molekul NAD+
menjadi NADH. Oksaloasetat, molekul yang memulai siklus, kemudian
bebas untuk bergabung dengan gugus asetil berkarbon dua dari asetil
KoA yang lain dan memulai siklus kembali (Johnson, 2011).
Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif Fosforilasi
oksidatif adalah proses pembentukan ATP akibat transfer elektron
dari NADH atau FADH2 kepada O2 melalui kompleks protein yang
terdapat pada membran dalam mitokondria. Sintesis ATP terjadi jika
proton dari ruang antarmembran mengalir kembali ke dalam matriks
mitokondria melalui kompleks enzim.
Pada setiap putaran siklus asam sitrat terdapat empat pasang
atom hidrogen dipindahkan dari isositrat, -ketoglutarat, suksinat
dan malat melalui aktivitas dehidrogenasi spesifik. Atom hidrogen
ini pada beberapa tahap memberikan elektronnya dalam rantai
transport elektron dan menjadi ion H+ yang terlepas dalam medium
cair. Elektron tersebut dingkut sepanjang rantai molekul pembawa
elektron sampai elektron mencapai sitokrom a3 atau sitokrom
oksidase yang menyebabkan pemindahan elektron ke oksigen, yakni
molekul penerima elektron terakhir pada organisme aerobik. Pada
saat masing-masing atom oksigen menerima atom dua elektron dai
rantai tersebut, dua atom H+ yang setara dengan dua H+ yang
dilepaskan sebelumnya dari dua atom hidrogen yang dipindahkan oleh
dehidrogenase, diambil dari medium cair untuk membentuk H2O
(Lehninger, 1995 : 150).Mula-mula molekul NADH2 memasuki reaksi dan
dihidrolisis oleh enzim dehidrogenase diikuti molekul FADH2 yang
dihidrolisis oleh enzim flavoprotein, keduanya melepaskan ion
Hidrogen diikuti elektron, peristiwa ini disebut reaksi oksidasi.
Selanjutnya elektron ini akan ditangkap oleh Fe+++ sebagai akseptor
elektron dan dikatalis oleh enzim sitokrom b, c, dan a. Peristiwa
ini disebut reaksi reduksi. Reaksi reduksi dan oksidasi ini
berjalan terus sampai elektron ini ditangkap oleh Oksigen (O2)
sehingga berikatan dengan ion Hidrogen (H+) menghasilkan H2O
(air).
1. Kompleks I (NADH dehydrogenase)Kompleks I mengandung enzim
NADH reduktase (NADH dehidrogenase),yaitu suatu enzim besar (880
kd) yang terdiri dari paling sedikit 34 rantai polipeptida. NADH
reduktase berbentuk huruf L dan terdiri dari dua bagian. Bagian
horizontal hidrofobik tertanam pada membran, mengandung subunit
yang disandikan oleh DNA mitokondria, sedangkan bagian vertikal
yang mengandung protein perifer membran menjulur ke dalam
matriks.
Koenzim dan gugus prostetik yang ada pada NADH reduktase antara
lain:a. Flavin mononukleotida (FMN).
b. Rumpun belerang-besi (Fe-S), yaitu gugus prostetik kedua
dalam kompleks NADH reduktase. NADH reduktase memiliki dua rumpun
[2Fe-2S] dan [4Fe-4S]. Jenis pertama [2Fe-2S], mengandung dua atom
besi dan dua sulfida inorganik selain empat residu sistein. Jenis
kedua [4Fe-4S], mengandung empat atom besi, empat sulfida inorganik
dan empat residu sistein.Atom besi dalam kompleks-kompleks Fe
berganti-ganti dalam keadaan tereduksi (Fe2+) atau teroksidasi
(Fe3+).
c. Ubikuinon Ubikuinon merupakan koenzim larut lemak. Disebut
ubikuinon karena kuinon terdapat dalam jumlah yang berlimpah. Q
merupakan turunan dari kinon dengan ekor isoprenoid yang panjang.
Jumlah unit lima karbon isopren tergantung kepada spesies. Ubikinon
mengalami reduksi menjadi ubikinol (QH2), melalui pembentukan
senyawa antara semikinon. Ubikuinon juga disebut koenzim Q (KoQ),
merupakan suatu turunan kuinon dengan rantai samping nonpolar,
panjang, terdiri dari unit isoprenoid (lima karbon bercabang). Ekor
isoprenoid membuat Q menjadi sangat polar sehingga berdifusi dengan
cepat dalam inti hidrokarbon membran dalam mitokondria.
Mekanisme transfer elektron pada kompleks ini adalah:1)
Pengikatan NADH dan transfer dua elektron potensialnya ke flavin
mononukleotida (FMN). Gugus prostetik kompleks tersebut menjadi
bentuk tereduksi, FMNH2.NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+
2) Elektron ditransfer dari FMNH2 ke rumpun belerang-besi
(Fe-S), sehingga Fe-S tereduksi.
3) Elektron dari belerang-besi kemudian diangkut ke koenzim Q
atau ubikuinon (Q) sehingga ubikuinon tereduksi menjadi ubikuinol
(QH2)
2. Kompleks IIKompleks II memiliki berat molekul yang lebih
kecil daripada kompleks I, yakni 220.000 dalton. Enzim yang
terdapat di kompleks ini adalah enzim suksinat dehidrogenase. Enzim
ini tersusun dari dua polipeptida, suatu protein integral membran
dalam mitokondria. Koenzim yang terdapat di kompleks ini adalah :a.
FADFAD merupakan koenzim yang membantu enzim suksinat dehidrogenase
dalam merubah suksinat menjadi fumarat.
b. Protein belerang-besi (Fe-S).
Mekanisme transpor elektron yang terjadi :
a) Suksinat dioksidasi menjadi fumarat dengan menghasilkan FADH2
yang kemudian masuk ke dalam kompleks ini.
b) Elektron dari FADH2 kemudian ditransfer ke pusat belerang
besi (Fe-S) kemudian ke ubikuinon sehingga ubikinon tereduksi
menjadi ubikinol. Kompleks suksinat-Q reduktase tidak memompa
proton karena perubahan energi bebas yang dikatalisisnya terlalu
kecil, sehingga lebih sedikit ATP yang dihasilkan dari oksidasi
FADH2 daripada NADH.
3. Kompleks IIIPompa proton kedua dari rantai pernafasan adalah
sitokrom reduktase. Sitokrom merupakan protein pemindah elektron
yang mengandung heme sebagai gugus prostetik. Atom besinya terdapat
bergantian antara keadaan tereduksi (2+) dan teroksidasi
(3+).Sitokrom reduktase memiliki dua jenis sitokrom, yakni b dan c.
a. Sitokrom b mengandung dua heme bH (b-566) dan bL(b560)b.
Sitokrom c1 mengandung satu heme
c. Protein belerang besi mengandung satu pusat 2Fe-2S
Sitokrom reduktase berfungsi mengkatalisis transfer elektron
dari QH2 ke sitokrom c, dan secara bersamaan memompa proton
melewati membran dalam mitokondria. Proses transfer elektron yang
terjadi:
1) Ubikinon tereduksi dan diterima oleh sitokrom b2) Dua
elektron dibawa ke sitokrom c1, lalu ke sitokrom c.
4. Kompleks IV (Sitokrom Oksidase)Sitokrom oksidase
mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c (bentuk
tereduksi) ke molekul oksigen sebagai akseptor elektron terakhir.
Reaksi oksidasi dilakukan oleh suatu kompleks yang terdiri dari 3
subunit, yaitu sub unit I, II, dan III. Sitokrom oksidase
mengandung dua gugus heme a, yaitu heme a dan heme a3 dan dua ion
tembaga, yaitu CuA dan CuB.
Proses yang terjadi :1) Elektron dibawa menuju kompleks IV
melalui ruang antar membran. 2) 2 elektron yang dibawa sitokrom c
diterima oleh sub unit I.3) Terjadi pemompaan 4 H+ ke ruang antar
membran yang dengan O2 sebagai penerima elektron terakhir membentuk
2 molekul H2O.
Aliran sepasang elektron melalui kompleks ini menyebabkan 2H+
ditranspor ke sisi sitosol, setengah dari hasil yang diperoleh NADH
reduktase, karena daya termodinamikanya lebih kecil.
SINTESIS ATPSintesis ATP dilakukan melalui pompa ATP sintase
yang memiliki dua bagian utama, yaitu :
a. Bagian F0, adalah suatu segmen hidrofobik yang membentang
selebar bentangan mitokondria. F0 merupakan saluran proton kompleks
ini. F0 terdiri dari empat jenis polipeptida, yaitu , , , dan .b.
Bagian F1, terdiri dari bola-bola ATPase. Peranan F1 pada keadaan
normal adalah untuk sintesis ATP. F1 terdiri dari lima jenis rantai
polipeptida 3, 3, , dan . Transfer elektron menyebabkan H+ keluar
dari membran dalam mitokondria menuju ruang antarmembran sehingga
terjadi gradien proton yang tinggi, akibatnya konsentrasi H+ yang
tinggi membuat ruang antarmembran bersifat asam sehingga akan
mengaktifkan enzim ATP sintase. Enzim ATP sintase mendorong ion H+
masuk ke dalam matriks melalui ATP sintase. Menurut Boyer dalam
Stryer (2000), peranan gradien proton bukan untuk membentuk ATP
tetapi melepaskannya dari sintase. Potensial membran positif
menyebabkan sintesis ATP melalui peningkatan konsentrasi H+ lokal
pada gerbang antara F0 dan F1. Translokasi tiga H+ menyebabkan
pembentukan satu ATP (Stryer, 2000)
Mekanisme ShuttleNADH+H hasil dari glikolisis harus dipindah ke
dalam mitokondria untuk dioksidasi. Padahal membran mitokondria
impermeabel terhadap NADH+H. Oleh sebab itu, untuk diangkut ke
dalam mitokondria perlu mekanisme khusus dengan menggunakan
shuttle. Dinyatakan oleh Stryer (1981: 323) bahwa NADH + H akan
diangkut ke dalam mitokondria hanya apaabila ratio NADH + H lebih
tinggi di sitosol daripada di matriks mitokondria. NADH dari proses
glikolisisharusdimasukkanterlebihdahulukedalam membrane
dalammitokondriauntukdapatdiprosesmenjadi ATP sebagai energy
siappakai. Namun, membranmitokondriamerupakanmembran yang
impermiabel, termasukterhadap NADH, sehinggauntukmelakukan transfer
NADH kedalammembrandalammitokondriadiperlukanadanyamekanisme
shuttle. Mekanisme shuttle dapatdibagimenjadidua, yaitu shuttle
gliserol 3-fosfatdan shuttle
Malat.Untuklebihjelasnyadapatdilihatpadagambar di bawahini :a.
Shuttle Gliserol 3-FosfatHasilglikolisis yang dalambentuk ATP
sudahlangsungdapatdigunakan.Sedangkanhasil yang dalambentuk NADH
masihberada di daerahsitosol.Untukdapatmasukkedalam membrane
dalammitokondria, NADH inimelepaskan ion H+ yang
kemudianditangkapolehdihidroksiasetonfosfat (DHAP), danselanjutnya
DHAP diubahmenjadigliseral 3-fosfat. Setelah proses
pengubahantersebut, barudapatmasukkedalam membrane
dalammitokondria. Setelahmasuk, H+ yang
dibawatadikemudiandilepaskandanselanjutnyaditangkapoleh FAD
sehinggamembentuk FADH+. Proses pelepasan H+ inidibantuolehenzim
gliseral-3-fosfat dehidrogenase. Karena energy
inidihasilkandalambentuk FADH, maka ATP yang
akandihasilkannantinyaberbedadengan yang dalambentuk NADH.
PadabentukNADH dihasilkan ATP sebanyak 3, sedangkanpada FADH
setaradengan 2 ATP. Sehingga, dapatdiketahuibahwadenganmenggunakan
shuttle gliseral-3-fosfat, ATP yang dihasilkansebanyak 2 ATP.
b. Shuttle MallatPada mekanisme shuttle malat, hampir sama
dengan yang terjadi pada mekanisme shuttle gliseral-3-fosfat. Mulai
dari lepasnya ion H+pada NADH yang kemudian ditangkap oksaloasetat.
Namun, dengan menggunakan mekansime shuttle malat, oksaloasetat
diubah menjadi malat. Setelah itu baru dapat masuk melewati
membrane. Dengan menggunakan shuttle malat, yang dihasilkan tetap
dalambentuk NADH sehingga ATP yang dihasilkan nantinya tetap 3 ATP.
Pelepasan H+ sebelumnya dibantu oleh enzim malat dehidrogenase.
Perhitungan ATPHasil dari reaksi glikolisis menghasilkan 2 NADH,
2 NADH ini apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3 phospat
akan menghasilkan ATP setara dengan 4 ATP, kemudian di Siklus Krebs
akan dihasilkan 6 NADH yang setara dengan 18 ATP dan juga 2 FADH2
yang setara dengan 4 ATP dan 2 ATP. Dan perubahan asam piruvat
menjadi Asetil koa menghasilkan 2 NADH sehingga setara dengan 6
ATP. Sehingga jumlah ATP yang di dapatkan sebesar 34 ATP. Dan
apabila pada reaksi glikolisis menghasilkan 2 NADH melewati
mekanisme shuttle Mallat maka akan dihasilkan ATP sebesar 6 ATP.
Sehingga jumlah ATP seluruhnya sebesar 36 ATP.Perhitungan ATP
apabila melewati mekanisme Shuttle Mallat
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3
Phospat:
DAFTAR PUSTAKAAlbert, Bruce el all. 2008. Molecular Biology of
The Cell Fifth Edition. USA : Garland Science Taylor & Francis
Group.Bawa, Wayan.1998. Dasar-Dasar Biologi Sel. Jakarta: Depdikbud
Dikti PPLPTK.Campbell Neil A, et al,. 2008. Biology 9th Edition.
USA : Pearson Education Inc.Cooper, G. M. 2000. The Cell Molecular
Approach second edition. USA : ASM PressLehninger, Albert L. 1985.
Dasar-dasar Biokimia. Jakarta : Erlangga.Lodish, H. 2001. Molecular
Cell Biology 4th edition. England : W.H. Freeman and
Company.Marguilis, L. 1981. Symbiosis in Cell Evolution. England :
W.H. Freeman and Company.Postlethweit, John H., Hopson L. Janet.
2006. Modern Biology. USA : Holt Rinehart Winston. Purnobasuki,
Hery. 2011. PDF Struktur dan Fungsi sel diunduh dari
www.skp.unair.ac.id pada tanggal 13 November 2014.Siregar, Arbayah.
1990. Biologi Sel. Bandung : FMIPA Institut Teknologi
Bandung.Solomon, Eldra P et al,. 2008. Biology 8th Edition. USA :
Thomson Higher Education.Stryer, Lubert. 2000. Biokimia. Jakarta :
EGC.