MITOKONDRIA DAN KHLOROPLAS
A. PERSAMAAN SERTA PERBEDAAN MITOKONDRIA DAN KHLOROPLAS Sel-sel eukariotik memiliki organel yang mampu mengubah energi menjadi
bentuk-bentuk yang dapat dipergunakan sel untuk melakukan mekanisme kerja serta aktifitasnya, yaitu mitokondria dan khloroplas. Energi yang dibutuhkan oleh sel tersebut didapatkan dari hasil sintesis dan transfer energi bebas memalui mekanisme sistem biologi berupa adenosin triphosphat (ATP). Organel yang bertanggungjawab untuk menghasilkan energi tersebut adalah mitokondria dan khloroplas. Mitokondria melakukan respirasi seluler, dengan proses katabolik yang menghasilkan ATP dengan mengekstraksi energi dari gula, lemak, dengan bantuan oksigen dan terdapat baik pada sel-sel hewan maupun sel-sel tumbuhan. Khloroplas yang dominan terdapat pada tumbuhan dan alga merupakan tempat dilakukannya fotosintesis dengan mengubah energi matahari menjadi energi kimia untuk menjalankan sintesis senyawa organik dari karbondioksida dan air.
Sel eukariotik melakukan respirasi seluler, dengan mengkonsumsi oksigen sebagai reaktan bersama-sama dengan bahan organik dengan organel utama yang berperan adalah mitokondria. Secara sederhana proses respirasi seluler adalah tergabungnya senyawa organik dengan oksigen yang kemudian akan menghasilkan karbondioksida, air dan energi. Mitokondria pada sel eukariotik tersebut menggunakan produk organik dari fotosintesis sebagai bahan bakar untukrespirasi seluler yang juga membutuhkan oksigen yang dihasilkan oleh fotosintesis. Respirasi memanen energi yang tersimpan dalam molekul organik untuk menghasilkan ATP, yang menggerakkan sebagian besar kerja seluler. Hasil akhir respirasi, karbondioksida dan air, merupakan bahan yang dipergunakan khloroplas sebagai bahan mentah untuk fotosintesis. Konsep tersebut menunjukkan bahwa unsur kimiawi yang penting dalam sistem kehidupan bisa didaur ulang, tetapi energi yang dihasilkan tidaklah demikian. Energi tersebut akan mengalir dalam ekosistem sebagai cahaya matahari (untuk membantu fotosintesis) dan kemudian meninggalkan ekosistem dalam bentuk panas.
Mitokondria, khloroplas, dan bakteri merupakan bentukan hasil evolusi. Dalam bakteri fotosintesis dan phosporilasi oksidatif terjadi pada membran plasma. Analisis
62 dari sekuensing dan transkripsi dari mitokondria dan DNA khloroplas memberikan alasan terhadap hipotesis populer adanya organel awal bermembran yang kemudian melalui proses endositosis bakteri sehingga mampu menghasilkan energi dengan cara fosforilasi oksidatif dan fotosintesis pada bentukan bakteri yang baru. Hipotesis yang disebut endosimbiosis tersbut menyatakan bahwa membran dalam mitokondria berasal dari membran plasma bakteri dengan protein globular (F1) yang masih berada pada permukaan sitosol dari permukaan membran tylakoid yang merupakan permukaan dari khloroplas, seperti nampak pada Gambar 6.1.
Gambar 6.1. Teori evolusi dari mitokondria dan khloroplas berdasarkan hipotesis endosimbiosis. (Sumber: Lodish,et al. 2010)
Gambar 6.1. menjelaskan bahwa permukaan membran yang berada pada area permukaan sitosol, merupakan bagian yang juga terdapat pada bagian permukaan eksoplasma. Endositosis bakteri merupakan keturunan dari sel eukariotik yang akan menjadikan organel dengan dua membran, yaitu membran luar diturunkan dari membran plasma eukariotik dan membran dalam berasal dari membran bakteri itu sendiri.Subunit F1 ATP synthase, berada pada permukaan sitosol dar membran bakteri, yang kemudian permukaan matrik tersebut akan berkembang menjadi mitokondria (gambar 6.1 sebelah kiri) atau khloroplas (gambar 6.1. sebelah kanan). Gelembung vesikela dari membran dalam khloroplas, terjadi selama perkembangan khloroplas dalam tumbuhan, yang akan menjadikan vesikula thylakoid dengan subunit F1 yang merupakan bagian dari bagian permukaan sitosol, dan merupakan permukaan stroma khloroplas.
63 B. STRUKTUR DAN FUNGSI MITOKONDRIA
Secara struktur mitokondria terdiri dari dua membran, yaitu membran luar yang nampak halus serta membran dalam yang berlekuk dan disebut sebagai cristae. Kedua membran tersebut memiliki komposisi dan fungsi yang berbeda. Membran luar terdiri dari 50% lemak dan 50% protein, sedangkan membran dalam dengan komposisi 20%
lemak dan 80% protein dengan sifat yang kurang permeabel dibanding membran luar.
Gambar 6.2. Gambaran mikroskop elektron untuk mitokondria. Dan model komputer gambaran tiga dimensi mitochondria yang berasal dari otak ayam. (Sumber: Lodish,et al. 2010) Gambar 6.2. menunjukkan struktur mitokondria denganmembran dalam yang disebut cristae dikelilingi oleh matriks yang akan menyediakan sumber yang dibutuhkan untuk fosforilasi oksidatif.
Mitokondria merupakan organel besar yang terdapat dalam sel, terkadang sel-sel tertentu dapat memiliki mitokondria yang mencapai 25% dari total volume sitoplasma.
Mitokondria terdapat dalam sel dengan jumlah beragam terkait dengan aktivitas sel.
Ada sel yang hanya memiliki satu mitokondria besar dan tunggal, tetapi lebih banyak sel yang memiliki mitokondria dalam jumlah ratusan dan bahkan ribuan dalam selnya.
Pengamatan menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa mitokondria memiliki DNA yang nampak jelas dengan pewarnaan fluorescence.
64 Gambar 6.3. Teknik pewarnaan ganda pada banyak mitokondria dan molekul DNA yang sedang tumbuh dan terdapat pada sel Euglena gracilis.
(Sumber: Lodish,et al. 2010)
Gambar 6.3. menunjukkan hasil pewarnaan untuk menunjang pengamatan mitokondria pada sel Euglena gracilis, dengan pewarnaan lebih dari satu jenis warna fluoresence. Sel tersebut diberi perlakuan campuran dengan dua kali pewarnaan: ethium bromide, yang akan terikat pada DNA dan memendarkan warna merah jingga, serta DiOC6, yang secara khusus akan masuk dan terserap dalam mitokondria dan memancarkan warna hijau. Visualisasi dari pengamatan tersebut menunjukkan bahwa pada daerah nukleus (yang memancarkan warna merah) nampak banyak dikelilingi oleh mitokondria. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa dalam satu sel tergantung pada aktifitas dan metabolisme sel tersebut dapat memiliki mitokondria dengan jumlah yang cukup banyak.
Proses dihasilkannya energi berupa ATP melalui mekanisme respirasi seluler dilakukan dengan tiga tahapan penting, yaitu: 1) glikolisis, 2) siklus krebs, dan 3) rantai transport elektron sertafosforilasi oksidatif. Dua tahapan pertama merupakan jalur katabolik yang merupakan penguraian glukosa dan bahan organik lainnya. Glikolisis, terjadi dalam sitosol mengawali perombakan dengan pemecahan glukosa menjadi dua molekul senyawa yang disebut piruvat. Siklus krebs, rantai transport elektron serta fosforilasi oksidatif, yang terjadi dalam matriks mitokondria menyempurnakan sintesis ATP dengan menguraikan turunan piruvat menjadi karbondioksida.
Tahap glikolisis dan siklus krebs merupakan reaksi redoks dengan enzim dehidrogenase yang mentransfer elektron dari substrat ke NAD+ dan membentuk NADH. Saat langkah ketiga, rantai transport elektron menerima elektron dari produk hasil perombakan kedua langkah sebelumnya (biasanya,melalui NADH) dan melewatkan elektron tersebut dari satu molekul ke molekul lainnya. Pada akhir rantai
65 transport, elektron digabungkan dengan ion hidrogen dan oksigen molekuler untuk membentuk air. Energi yang dilepaskan pada setiap langkah rantai tersebut disimpan dalam bentuk yang digunakan oleh mitokondria untuk membuat ATP. Mekanisme penghasilan ATP tersebutlah yang disebut sebagai fosforilasi oksidatif karena sintesis digerakkan oleh reaksi redoks yang mentranfer elektron dari makanan ke oksigen.
Tempat dilakukannya transport elektron dan fosforilasi oksidatif adalahpada membran dalam mitokondria. Dari fosforilasi oksidatif akan dihasilkan 90% ATP melalui mekanisme respirasi tersebut.
Respirasi seluler dengan penggabungan hidrogen dan oksigen menjadi air berasal dari bahan molekul organik serta respirasi melalui rantai transport elektron untuk memecah jatuhnya elektron ke oksigen menjadi beberapa langkah energi. Rantai transport elektron terdiri atas sejumlah molekul, yang sebagian besar adalah protein yang berada dalam membran dalam mitokondria.
Tranfer elektron dari NADH ke oksigen merupakan reaksi eksergonik, melalui langkah berurutan (kaskade) suatu elektron yang menuruni rantai satu molekul ke molekul pembawa berikutnya.Penyebab elektron tetap bergerak adalah karena setiap molekul protein pembawanya lebih elektronegatif dibanding molekul pembawa sebelumnya. Pada bagian dasar rantai adalah oksigen yang memiliki afinitas tinggi terhadap elektron, sehingga elektron yang dikeluarkan dari makanan oleh NAD+ bergerak menuruni rantai transport elektron ke lokasi yang jauh lebih stabil dalam atom oksigen elektronegatif.
Banyak enzim yang terdapat dalam membran luar dan dalam mitokondria berfungsi sebagai enzim, untuk mempercepat dan membantu melaksanakan proses fosforilasi oksidatif menghasilkan ATP. Dalam proses tersebut enzim-enzim yang terletak dalam sitosol akan membantu mengubah glukosa menjadi piruvat selama proses glycolisis. Empat (4) molekul ATP akan disusun dari ADP selama glykolisis dengan substrat melalui langkah fosforilasi yang dilakukan oleh enzim yang terletak dalam sitosol (yaitu pada reaksi 7 dan 10-dari 10 langkah fosforilasi oksidatif pada mitokondria).
66 Gambar 6.4. Kesimpulan langkah oksidasi aerobic pyruvat dan asam lemak dalam mitokondria.
(Sumber: Lodish,et al. 2010)
Gambar 6.4. menunjukkan proses oksidasi aerobic yang terjadi dalam mitokondria. Membran luar mitokondria biasanya akan permeabel terhadap seluruh metabolit, sedangkanmembran dalam memiliki protein transport khusus (berbentuk oval dan berwarna) yang dibutuhkan untuk mengambil piruvat (kuning). ADP (hijau) dan piruvat (ungu) yang ada dalam matrik akan mengeluarkan ATP (hijau), sedangkanNADH yang dihasilkan dalam sitosol tidak akan secara langsung ditransporkan ke dalam matrik karena membran dalam impermeabel terhadap NAD+ dan NADH, yang menunjukkan sistem transport elektron dari sitosol NADH menjadi NAD+ di dalam matrik. O2 akan terdifusi masuk dalam matrik dan CO2 terdifusi keluar.
Langkah 1 pada Gambar 6.3. menunjukkan kelompok asam lemak yang menjadi asam asetil CoA dan ditransport melintasi membran dalam dengan pembawa khusus (biru oval). Piruvat berubah menjadi asetil CoA dengan bantuan NADH, dan asam lemak (berlekatan menjadi CoA) yang juga berasal dari asetil CoA dengan formasi NADH dan FADH. Oksidasi asetil CoA dalam siklus asam sitrat akan menghasilkan NADH dan FADH2. Langkah 2: elektron-elektron dari reduksi koenzim akan ditransfer
67 melalui kompleks transport elektron (kotak biru) menjadi O2 yang secara bersamaan dengan transport ion-ion H+ dari matrik menuju ke ruang antar membran, menghasilkan proton-motive force. Elektron-elektron dari NADH mengalir secara langsung dari komplek I menuju komplek III, melalui komplek II. Langkah 3: sintesis ATP, komplek F0F1 (orange-merupakan protein enzim), memanfaatkan proton-motive forceuntuk sintesis ATP. Panah biru mengindikasikan aliran elektron, panah merah menunjukkan perpindahan proton antar membran dan panah hijau menunjukkan transport metabolit.
Secara umum DNA ditemukan pada sel eukariotik terdapat pada nukleus, akan tetapi ternyata DNA juga ditemukan pada mitokondria sel hewan, tanaman, dan fungi dan juga terdapat pada khloroplas sel-sel tumbuhan. Bagaimanapun, nampaknya dan khloroplas pada sel-sel eukariotik memiliki DNA yang mampu mengkodekan protein esensial untuk fungsi organel seperti halnya ribosom dan mentransferkannya melalui RNA untuk melanjutkan proses dengan translasi. Banyak penelitian menunjukkan bahwa DNA mitokondria dapat tereplikasi selama interfase. Selama mitosis masing-masing sel anak akan menerima jumlah mitokondria yang sama, tetapi belum ada penjelasan terhadap mekanisme pembagian yang sama jumlah mitokondria pada dua sel anak karena terkadang sel-sel anak tersebut akan memiliki jumlah mitokondria yang lebih banyak dibanding yang lain. Pengamatan menunjukkan bahwa satu mitokondria dapat berisi banyak molekul DNA. Dengan demikian jumlah DNA mitokondria dalam sel tergantung pada jumlah mitokondria, ukuran DNA mitokondria, dan jumlah molekul DNA mitokondria per mitokondria. Masing-masing parameter tersebut bervariasi dan berbeda pada setiap tipe sel.