BIOKIMIA BIOKIMIA
PEMBENTUKAN ATP MELALUI FOSFORILASI OKSIDATIF PEMBENTUKAN ATP MELALUI FOSFORILASI OKSIDATIF
Dikumpulkan Tanggal 5 Januari 2015 Dikumpulkan Tanggal 5 Januari 2015
NAMA
NAMA : : Dawam Dawam SuprayogiSuprayogi NIM
NIM : : 14/372556/PBI/12714/372556/PBI/12711 DOSEN
DOSEN : : Prof. Prof. Dra. Dra. Sukarti Sukarti Moeljopawiro, Moeljopawiro, M.App.Sc., M.App.Sc., Ph.DPh.D
PROGRAM PASCASARJANA PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS BIOLOGI UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS BIOLOGI UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA YOGYAKARTA
2015 2015
PEMBENTUKAN ATP MELALUI FOSFORILASI OKSIDATIF A. Pendahuluan
Selama tahun 1940-an diketahui bahwa pembentukan ATP adalah dari penggabungan ADP dan fosfat anorganik pada sistem transport elektron yang terjadi di
mitokondria. Menyikapi hal tersebut, upaya untuk mengetahui mekanisme molekularnya terus dilakukan secara intensif (Metzler, 2003). Pada proses pembentukan ATP terjadi proses berupa rantai transpor elektron dan kemiosmosis. Kedua proses ini dikenal dengan
fosforilasi oksidatif (Reece et al., 2011).
Fosforilasi oksidatif adalah puncak dari proses metabolisme untuk menghasilkan energi bagi organisme aerobik. Semua tahap-tahap enzimatik pada degradasi oksidatif karbohidrat, lemak, dan asam amino di dalam sel aerobik menyatu menjadi tahap akhir respirasi sel. Pada tahap ini terjadi pengaliran elektron dari senyawa organik menuju oksigen sebagai reseptor elektron terakhir. Proses ini menghasilkan energi melalui pembentukan ATP dari ADP dan fosfat anorganik (Nelason dan Cox, 2004).
Pada organisme eukariot, fosforilasi oksidatif berlangsung di mitokondria.
Pemahaman kita mengenai sintesis ATP dalam mitokondria didasarkan pada hipotesis yang diperkenalkan oleh Peter Mitchell pada tahun 1961, bahwa perbedaan konsentrasi proton transmembran merupakan sumber energi yang diekstraksi dari reaksi oksidasi biologis.
Teori kemiosmotik ini telah diterima sebagai salah satu prinsip besar di bidang biologi pada abad kedua puluh. Teori ini memberikan gambaran bahwa proses fosforilasi oksidatif tidak sama dengan proses transduksi energi pada transpor akti f antar membran (Nelason dan Cox, 2004).
Fosforilasi oksidatif melibatkan proses reduksi O2 menjadi H2O dengan donor elektron dari NADH dan FADH2. Proses ini dapat terjadi baik pada kondisi terang maupun gelap (Nelason dan Cox, 2004). Produksi ATP terjadi ketika NADH dan FADH2 yang diproduksi pada siklus asam sitrat meneruskan elektron-elektron yang diekstraksi dari makanan ke transpor elektron. Dalam proses tersebut, NADH dan FADH2menyuplai energi yang dibutuhkan untuk fosforilasi ADP menjadi ATP (Reece et al., 2011). NADH dan FADH2 hasil dari siklus asam sitrat merupakan bahan bakar dalam proses fosforilasi oksidatif yang bekerja di mitokondria. NADH dan FADH2 akan melalui beberapa tahapan kompleks dalam membran mitokondria (Nelason dan Cox, 2004).
B. Transpor Elektron
Pembawa elektron pada rantai transpor elektron tersusun dalam kompleks supramolekul yang tertanam dalam membran dan dapat dipisahkan secara fisik. Aktivitas yang terjadi pada membran dalam mitokondria memungkinkan terbentuk empat kompleks pembawa elektron yang unik, masing-masing mampu mengkatalisis transpor elektron melalui bagian dari rantai (Tabel 1). Kompleks I dan II mengkatalisis transpor elektron ke ubiquinone dari dua donor elektron yang berbeda: NADH (Kompleks I) dan suksinat (Kompleks II). Kompleks III membawa elektron dari reduksi ubiquinone ke sitokrom C, dan Kompleks IV melengkapi urutan dengan mentransfer elektron dari sitokrom C ke O2
(Nelason dan Cox, 2004).
Tabel 1. Komponen protein penyusun rantai transpor elektron pada mitokondria
Sumber: Nelason dan Cox (2004)
a. Kompleks I
Kompleks I disebut juga NADH:
ubiquinone oksidoreduktase atau NADH dehidrogenase, merupakan enzim besar yang terdiri dari 42 rantai polipeptida yang berbeda. NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron.
Elektron tersebut kemudian memasuki kompleks I melalui Flavoprotein yang mengandung FMN (disebut juga flavin mononukleotida). Tambahan elektron ke FMN mengubahnya menjadi bentuk tereduksi, FMNH2. Elektron kemudian
Gambar 1. NADH:ubiquinone oxidoreductase (Kompleks I).
ditransfer melalui gugus besi-sulfur. Setidaknya terdapat enam gugus besi-sulfur [2Fe–2S]
maupun [4Fe–4S] (Nelason dan Cox, 2004).
Mikroskop elektron resolusi tinggi menunjukkan Kompleks I berbentuk L (Gambar 1), dengan satu lengan L tertanam dalam membran dan lengan yang lain mengarah ke dalam matriks. Kompleks I mengkatalisis dua proses. Proses pertama yaitu transfer eksergonik ion hidrogen ke ubiquinone dari NADH dan proton dari matriks, yang dinyatakan dengan persamaan reaksi:
NADH
proses kedua transfer endergonik empat proton dari matriks ke ruang antarmembran.
Kompleks I adalah pompa proton yang digerakkan oleh energi dari transpor elektron, dan reaksi yang dikatalis adalah: proton digerakkan dalam arah tertentu dari satu lokasi (matriks, yang menjadi bermuatan negatif dengan keluarnya proton) ke lokasi yang lain (ruang antarmembran, yang menjadi bermuatan positif). Untuk menunjukkan arah terjadinya proses,secara keseluruhan reaksi sering ditulis dengan subskrip yang menunjukkan lokasi proton: P untuk sisi positif dari membran dalam (ruang antarmembran), N untuk sisi negatif
(matriks):
NADH+ 5HN++Q→NAD++QH2+ 4HP+
Ubiquinol (QH2, bentuk tereduksi penuh) berdifusi pada membran dalam mitokondria dari Kompleks I Kompleks III. Saat proses QH2 teroksidasi menjadi Q terjadi gerakan ion H+ ke ruang antar membran (Nelason dan Cox, 2004).
b. Kompleks II
Suksinat dehidrogenase (Kompleks II) adalah enzim yang terikat membran (Gambar 2).
Merupakan titik masuk kedua pada rantai transpor elektron. Meskipun lebih kecil dan sederhana dari Kompleks I, Kompleks II berisi lima gugus prostetik dari dua jenis dan empat subunit protein yang berbeda. Subunit C dan D adalah protein integral, masing-masing dengan tiga heliks transmembran.
Subunit C dan D berisi sebuah kelompok heme yaitu heme b, dan tempat pengikatan ubiquinone, akseptor elektron terakhir dalam reaksi dikatalisis oleh
Gambar 2. Suksinat dehidrogenase (Kompleks II)
+ H++ Q→NAD++ QH2
Kompleks II. Subunit A dan B melebar ke arah matriks, mengandung tiga pusat 2Fe-2S, FAD (flavin adenina dinukleotida) terikat, dan tempat pengikatan substrat, suksinat. Jalur transpor elektron dari sisi yang mengikat suksinat ke sisi FAD, kemudian melalui pusat Fe- S ke sisi yang mengikat ubiquinone. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor proton melewati membran dan tidak berkontribusi terhadap gradien proton. Kompleks II juga akan menghasilkan Ubiquinol (QH2) yang selanjutnya akan dioksidasi kembali pada Kompleks III (Nelason dan Cox, 2004).
c. Kompleks III
Sitokrom C oksidoreduktase (Kompleks III) merupakan pasangan transpor elektron dari ubiquinol (QH2) ke sitokrom c dengan transportasi vectorial proton dari matriks ke ruang antarmembran. Berdasarkan struktur Kompleks III (Gambar 3) dan studi biokimia tentang reaksi redoks, model yang umum telah diusulkan mengenai reaksi bagian elektron dan proton yang melalui Kompleks III. Persamaan untuk reaksi redoks siklus Q ini adalah:
QH2+2 cyt c1(teroksidasi)+ 2HN+ →Q+2 cyt c1(tereduksi)+ 4HP+ Pada mamalia, enzim ini berupa
dimer, dengan tiap kompleks subunit mengandung 11 subunit protein, satu gugus besi-sulfur [2Fe-2S], dan tiga sitokrom yang terdiri dari satu sitokrom C1 dan dua sitokrom B. Sitokrom adalah sejenis protein pentransfer elektron yang mengandung paling tidak satu gugus heme. Atom besi dalam gugus heme kompleks III berubah dari bentuk tereduksi Fe+2 menjadi bentuk teroksidasi Fe+3 secara bergantian sewaktu elektron ditransfer melalui protein ini (Nelason dan Cox, 2004).
Oleh karena hanya satu elektron yang
dapat ditransfer dari donor QH2 ke akseptor sitokrom c, mekanisme reaksi kompleks III lebih rumit daripada kompleks lainnya, dan terjadi dalam dua langkah yang disebut siklus Q. Pada langkah pertama, enzim mengikat tiga substrat, pertama, QH2 yang akan dioksidasi kemudian dengan satu elektron dipindahkan ke si tokrom c yang merupakan substrat kedua.
Dua proton yang dilepaskan dari QH dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat
Gambar 3. Sitokrom C oksidoreduktase (Kompleks III)
ketiga adalah Q, yang menerima dua elektron dari QH2 dan direduksi menjadi Q.-, yang merupakan radikal bebas ubisemikuinon. Dua substrat pertama dilepaskan, namun zat antara ubisemikuinon ini tetap terikat. Pada langkah kedua, molekul kedua QH2 terikat dan kemudian melepaskan satu elektronnya ke akspetor sitokrom C. Elektron kedua dilepaskan ke ubisemikuinon yang terikat, mereduksinya menjadi QH2 ketika ia menerima dua proton dari matriks mitokondria. QH2 ini kemudian dilepaskan dari enzim (Nelason dan Cox, 2004).
Karena koenzim Q direduksi menjadi ubikuinol pada sisi dalam membran dan teroksidasi menjadi ubikuinon pada sisi luar, terjadi transfer proton di membran, yang menambah gradien proton. Mekanisme dua langkah ini sangat penting karena ia meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul QH2 yang digunakan untuk secara langsung mereduksi dua molekul sitokrom C, efisiensinya akan menjadi setengah, dengan hanya satu proton yang ditransfer per sitokrom C yang direduksi (Nelason dan Cox, 2004).
Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom C. Tidak seperti koenzim Q yang membawa dua elektron, sitokrom C hanya membawa satu elektron (Nelason dan Cox, 2004).
d. Kompleks IV
Pada tahap akhir dari rantai respirasi, Kompleks IV yang disebut juga sitokrom oksidase, membawa elektron dari sitokrom C ke molekul oksigen lalu direduksi menjadi H2O.
Kompleks IV adalah enzim yang besar (13 subunit; Mr 204.000) dari membran dalam mitokondria. Mitokondria subunit II berisi dua ion Cu kompleks dengan gugus OSH dari dua residu Cys di pusat binuklir yang menyerupai pusat gugus 2Fe-2S besi-sulfur. Subunit I berisi dua kelompok heme, yaitu heme a dan a3, dan ion tembaga lain (CuB). Heme a3 dan CuB membentuk pusat binuklir kedua yang menerima elektron dari heme a dan mentransfernya ke
Gambar 4.Sitokrom oksidase (Kompleks IV)
molekul O2 lalu ke heme a3 (Nelason dan Cox, 2004).
Transpor elektron melalui Kompleks IV adalah dari sitokrom c ke pusat CuA, lalu ke heme a, selanjutnya ke pusat heme a3-CuB, dan akhirnya ke O2 (Gambar 4). Untuk setiap empat elektron melewati kompleks ini, enzim mengkonsumsi empat ion H+ dari matriks (N side) pada proses konversi O2 menjadi 2H2O. Proses ini juga menggunakan energi dari reaksi redoks untuk memompa satu proton dari luar ke dalam ruang antarmembran (P sisi).
Untuk setiap elektron yang melewati akan menambah potensi elektrokimia yang dihasilkan oleh redoks transportasi proton yang melalui Kompleks I dan III. Keseluruhan reaksi yang dikatalisis oleh kompleks IV adalah:
4 Cyt c (tereduksi) + 8HN+ + O2 →4 cyt c teroksidasi O
Empat elektron direduksi oleh O2 melibatkan pusat redoks yang hanya membawa satu elektron pada satu waktu, dan harus terjadi tanpa menghasilkan produk sampingan seperti hidrogen peroksida atau hidroksil yang sangat bersifar radikal bebas dan reaktif sehingga dapat merusak komponen sel. Produk sampingan ini akan tetap terikat erat pada Kompleks IV sampai benar-benar dikonversi menjadi air (Nelason dan Cox, 2004).
C. Kemiosmosis
Rantai trasnspor elektron tidak menghasilkan ATP secara langsung. Akan tetapi, rantai ini memudahkan sampainya elektron dari bahan organik ke oksigen, menguraikan penurunan energi bebas dalam jumlah besar menjadi serangkaian langkah yang lebih kecil dan melepaskan energi dalam bentuk yang mudah dikelola oleh sel. Untuk melakukan sitesis ATP maka dilakukan suatu mekanisme yang disebut kemiosmosis (Reece et al., 2011).
+ 4HP++ 2H2
Membran dalam mito-kondria banyak mengandung kompleks protein yang disebut sebagai ATP sintase. Kompleks
protein ini adalah enzim yang membuat ATP dari ADP dan fosfat
anorganik. ATP sintase bekerja seperti pompa ion yang bekerja terbalik. ATP sintase menggunakan energi dari gradien ion yang ada untuk memberikan tenaga bagi sintesis ATP.
Sumber tenaga bagi ATP sintase adalah perbedaan konsentrasi H+di kedua sisi membran dalam mitokondria. Proses ini menggunakan energi yang tersimpan dalam bentuk gradien ion hidrogen di kedua sisi membran untuk menggerakkan kerja selular seperti sintesis ATP sehingga disebut kemiosmosis (Reece et al., 2011).
ATP sintase (Gambar 5) adalah kompleks multisubunit dengan empat ba gian utama, yang masing-masing terdiri atas banyak polipeptida. Proton bergerak satu demi satu ke dalam situs mengikatan pada salah satu bagian (rotor), sehingga rotor berputar dan mengkatalis produksi ATP dari ADP dan fosfat anorganik. Aliran proton ini berlaku seperti aliran sungai deras yang memutar kincir air (Reece et al., 2011).
Rantai transpor elektron mengalirkan elektron dari NADH dan FADH2 untuk memompa H+ melintasi membran, dari matriks mitokondria menuju ruang antar membran.
H+memiliki kecenderungan untuk bergerak kembali melintasi membran, berdifusi menuruni gradiennya. Adapun ATP sintase merupakan satu-satunya unit yang menyediakan jalan bagi H+ untuk menembus membran. Melintasnya H+ melalui ATP sintase memanfaatkan aliran eksergonik H+ untuk menggerakkan fosforilasi ADP. Dengan demikian, energi yang tersimpan dalam gradien H+ di kedua sisi membran akan menggandengkan reaksi redoks pada rantai transpor elektron dengan sintesis ATP. Dalam sel eukariot, pembawa elektron
tersusun secara spasial di dalam membran sehingga H+ diterima dari matriks mitokondria dan dideposit di ruang antar membran. Gradien H+ yang dihasilkan disebut sebagai gaya gerak proton dengan menekankan pada kapasitas gradien untuk melakukan kerja. Gaya tersebut menggerakkan H+ kembali melintasi membran melalui saluran-saluran H+ yang disediakan oleh ATP sintase. Pergerakan ion H+ secara berulang-ulang melintasi membran ini berperan langsung dalam pembentukan ATP (Reece et al., 2011).
D. Kesimpulan
Pembentukan ATP melalui proses fosforilasi oksidatif dibagi menjadi dua bagian yaitu rantai transpor elektron dan kemiosmosis. Rantai transpor elektron memast ikan bahwa elektron yang berasal dari bahan organik diterima oleh oksigen. Bahan baku dalam rantai
Gambar 5. ATP Sintase
transpor elektron adalah NADH dan FADH2. Setelah melalui rantai transpor elektron, ion H+ akan memasuki proses kemiosmosis yang melibatkan enzim ATP sintase. Proses ini berfungsi untuk membentuk ATP dari ADP dan fosfat anorganik.
Daftar Rujukan
Metzler, D. E. 2003. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells, Second Edition.
Elsevier Academic Press.
Nelson, D. L., dan Cox, M. M. 2004. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition.
W. H. Freeman Publisher.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B., 2011. Campbell Biology Ninth Edition. San Francisco: Pearson Education, Inc.
