BI OEN ERGETI KA D AN FOSFORI LASI OKSI D ATI F
T. H ELV I M ARD I AN I
Ba gia n Biok im ia Fa k u lt a s Ke dok t e r a n Un iv e r sit a s Su m a t e r a Ut a r a
Pe n da h u lu a n
Bioenerget ik a at au t erm odinam ik a biok im ia m em berik an prinsip dasar unt uk m enj elaskan m engapa sebagian r eaksi dapat t er j adi sedangkan sebagian yang lain t idak. Sej um lah sist em non biologik dapat m enggunakan ener gi panas unt uk m elaksanakan ker j anya, nam un sist em biologi pada hakekat nya ber sifat isot er m ik dan m em akai energi kim ia unt uk m em berikan t enaga bagi pr oses kehidupan.
Pr insip r eaksi oksidasi r eduksi yait u r eaksi pengeluar an dan per olehan elekt r on ber laku pada ber bagai sist em biok im ia dan m er upakan konsep pent ing yang m elandasi pem aham an t ent ang sifat oksidasi biologi. Ter nyat a bany ak r eaksi- r eaksi oksidasi dalam sel hidup dapat ber langsung t anpa per an m olekul oksigen.
Mit okondr ia sebagai or ganella per napasan sel, dikat ak an dem ikian kar ena didalam nya ber langsung sebagian besar per ist iw a penangkapan energi yang ber asal dari oksidasi dalam rant ai per napasan sel.
Sist em dalam m it okondr ia yang m er angkaik an r espirasi dengan pr oduksi ATP sebagai suat u zat ant ar a ber ener gi t inggi dikenal dengan fosfor ilasi oksidat if. Fosforilasi oksidat if m em ungkinkan or ganism e aer ob m enangkap ener gi bebas dengan pr opor si yang lebih besar bila dibandingkan dengan or ganism e an aer ob.
BI OEN ERGETI KA D AN FOFORI LASI OKSI D ATI F
H u k u m t e r m odin a m ik a
Or ganism e hidup m engubah energi yang diper olehnya dar i m akanan unt uk ber bagai t uj uan seper t i pem elihar aan sel, r epr oduksi dan ber bagai ker j a baik fisik m aupun kim ia. Dalam banyak r eaksi biok im ia, ener gi dar i r eakt an diubah dengan sangat efisien m enj adi bent uk yang ber beda. Dalam fot osint esa, ener gi cahaya diubah m enj adi ener gi ikat an kim ia. Dalam m it okondr ia, ener gi bebas yang t er kandung dalam m olekul kecil dar i bahan m akanan diubah m nj adi suat u alat t ukar ener gi dalam bent uk adenosin t r ifosfat ( ATP ) . Ener gi ik at an kim ia yang t er kandung dalam ATP selanj ut nya digunakan dalam ber bagai car a dan t uj uan. Dalam kont r aksi ot ot , ener gi ATP diubah oleh m iosin m enj adi ener gi m ekanik. Mem br an dan or ganel sel m em punyai pom pa yang m enggunakan ATP unt uk t ransport m olek ul dan ion. ATP j uga digunakan unt uk ber bagai akt iviat as sel lainnya.
dengan m enggunakan fungsi t herm odinam ik a lain yang disebut ener gi bebas ( G ) dengan per sam aan : tG = tH - T tS .
tG adalah per ubahan ener gi bebas suat u sist em yang m engalam i per ubahan pada
suat u t ek anan ( P) dan suhu ( T) yang t et ap. tH adalah per ubahan ent alpi
( kandungan panas) sist em dan tS per ubahan ent r opinya.
Per ubahan ent alpi dinyat akan sebagai : tH = tE – PtV, kar ena per ubahan volum e,
tV dalam r eaksi biokim ia kecil sehingga tH ham pir sam a dengan tE, m ak a : tG = tE - T tS .
Ber law anan dengan per ubahan ener gi dalam sist em (tE ) , per ubahan ener gi bebas (tG ) suat u r eak si adalah kr it er ia yang ber har ga unt uk m enent ukan apakah r eaksi t er sebut dapat ber langsung dengan spont an. Suat u r eaksi dapat ber langsung spont an hanya bila tG negat if. Bila tG nol, sist em berada dalam keseim bangan dan bila posit if, diper lukan m asukan ener gi bebas unt uk m engger akkan r eaksi t er sebut .
ATP m e r a n gk a i pr ose s e k se r gon ik da n e n de r gon ik
Pr oses dim ana ber langsungnya r eaksi- reaksi yang m elepaskan energi bebas ( ekser gonik) selalu dir angkaik an dengan proses yang r eaksi- r eaksinya m em er lukan ener gi bebas ( ender gonik) . Reaksi ekser gonik adalah r eaksi dalam proses k at abolism e y ait u reak si- reak si pem ecahan at au ok sidasi m olek ul bahan bak ar sedangkan r eaksi sint esa yang m em bangun ber bagai subst ansi t er dapat dalam pr oses anabolism e.
Unt uk m er angkaik an kedua pr oses ekser gonik dan ender gonik har us ada senyaw a ant ar a dengan pot ensial ener gi t inggi yang dibent uk dalam r eaksi ekser gonik dan m enyat ukan senyaw a yang bar u dibent uk t er sebut kedalam r eaksi ender gonik, sehingga ener gi bebasnya dialihkan ant ar a dua pr oses t er sebut . Senyaw a ant ar a yang dibent uk t idak per lu m em punyai hubungan st r ukt ur al dengan r eakt an- r eakt an yang ber eaksi. Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang m elepas ener gi bebas selalu diser t ai dengan per ist iw a fosfor ilasi yang m em bent uk senyaw a dengan pot ensial ener gi lebih t inggi. Senyaw a pem baw a at au senyaw a ant ar a ener gi t inggi yang ut am a adalah ATP .
ATP adalah nukleot ida yang t er dir i dar i adenin , r ibosa dan t r ifosfat . Bent uk akt if ATP adalah kom pleksnya ber sam a dengan Mg2+ at au Mn2+. Sebagai pengem ban ener gi, ATP kaya ener gi kar ena unit t rifosfat nya m engandung dua ik at an fosfoanhidr ida. Sej um lah besar ener gi bebas dilepask an ket ika ATP dihidr olisis m enj adi adenosin difosfat ( ADP) dan or t ofosfat ( Pi) at au ket ika ATP dihidr olisis m enj adi adenosin m onofosfat ( AMP) dan pir ofosfat ( Ppi) . ATP m em ungkink an per angkaian r eaksi yang secar a t er m odinam ik t idak m engunt ungkan m enj adi r eaksi yang m engunt ungkan. Reaksi per t am a dalam lint asan glik olisis y ait u fosforilasi glukosa m enj adi glukosa 6 fosfat adalah r eaksi yang ender gonik (tGº = + 13,8 kj / m ol) , agar r eaksi dapat ber langsung har us t er angkai dengan r eaksi lain yang lebih ek sergonik y ait u hidrolisa gugus t er m inal fosfat ATP (tGº = - 30,5 kj / m ol ) sehingga r angkaian reaksi yang dikat alisa oleh heksokinase t er sebut ber langsung dengan m udah dan sangat ek ser gonik (tGº = - 16,7 kj / m ol ) .
uk-bent uk m onofosfat nya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosfor il t er m inal dar i sat u kelain nukleot ida dapat t er j adi dengan bant uan enzym nukleosida difosfat kinase seper t i r eaksi- r eaksi ATP + GDP ⇔ ADP + GTP dan ATP + GMP ⇔ ADP + GDP.
Berbagai seny aw a dalam sist em biologi m em puny ai pot ensi fosforil y ang t inggi. Ter nyat a, beberapa diant ar anya, seper t i fosfoenolpiruv at , k arbam oil fosfat , 1, 3 bifosfogliserat , aset il fosfat dan k reat in fosfat m em puny ai pot ensial pem indahan fosfat yang lebih t inggi dari ATP, hal ini ber art i seny aw a- seny aw a t ersebut dapat m em indahkan gugus fosfor ilnya ke ADP unt uk m em bent uk ATP. Pot ensial t r ansfer fosfor il senyaw a- senyaw a t er fosfor ilasi yang pent ing secar a biologis sepert i glukosa 1 fosfat , frukt osa 6 fosfat , glukosa 6 fosfat dan gliser ol 3 fosfat lebih r endah dar i ATP. Posisi ATP yang berada dit engah- t engah dari m olek ul- m olek ul t erfosforilasi t ersebut , m em ungkink an ATP ber fungsi secar a efisien sebagai pengem ban gugus fosfor il.
ATP ser ing disebut senyaw a fosfat ber ener gi t inggi dan ikat an fosfoanhidr idanya disebut sebagai ikat an berener gi t inggi. Senyawa- senyaw a t inggi ener gi adalah senyaw a yang banyak m elepaskan enegi bebas k et ika m engalam i hidr olisis. I st ilah ik at an ber ener gi t inggi ser ing disim bolkan dengan ~ P dan m enunj uk kan senyaw a yang punya pot ensial t ransfer fosfor il t inggi. Ada t iga sum ber ut am a ~ P yang m engam bil bagian dalam penangkapan ener gi yait u per ist iw a fosfor ilasi oksidat if, sum ber ~ P yang paling besar pada or ganism e aer obik, sum ber ener gi bebas unt uk m engger akkan pr oses ini ber asal dar i r eaksi- r eaksi oksidasi r ant ai per napasan. Sum ber kedua adalah glik olisis, m em bent uk t ot al dua ~ P y ang t er j adi pada r eaksi pem ecahan glukosa m enj adi lakt at . Sum ber ket iga adalah siklus asam sit r at , dim ana sat u ~ P dihasilk an langsung pada konver si suksinil k o- A m enj adi suksinat .
Senyaw a biologi pent ing lainnya yang digolongkan sebagai senyaw a ener gi t inggi adalah yang m engandung ik at an t iol est er , m encakup koenzym A, prot ein pem baw a asil, senyaw a est er asam am ino, S- adenosilm et ionin, uridin difosfat glukosa dan 5.fosfor ibosil.1.pir ofosfat .
Re a k si ok sida si m ole k u l ba h a n ba k a r dim a n a N AD H da n FAD H2 a da la h
pe n ge m ba n e le k t r on u t a m a
Kem ot rop m em peroleh energi bebas dar i oksidasi m olekul bahan bakar , seper t i gluk osa dan asam lem ak. Pada or ganism e aer ob, aksept or elekt r on t er akhir adalah oksigen. Tr anspor t elekt ron dalam r eak si- reaksi oksidasi t idak langsung dar i m olekul bahan bakar at au dar i pr oduk pem ecahannya ke oksigen. Subst r at - subst r at yang dioksidasi m em indahkan elekt r onny a kepengem ban- pengem ban khusus yait u nuk leot ida piridin at au flav in. Pengem ban y ang t ereduk si ini k em udian m em indahk an elekt r on pot ensi t ingginya ke oksigen m elalui r ant ai per napasan yang t er dapat pada sisi dalam m em bran m it ok ondria. Gradien prot on y ang t erbent uk sebagai hasil aliran elekt r on dalam r ant ai per napasan ini yang kem udian m endor ong sint esis ATP dar i ADP dan ort ofosfat ( Pi ) . Pr oses ini yang disebut fosfor ilasi oksidat if, yang m enj adi sum ber ut am a ATP pada or ganism e aer ob. Selain it u, elek t ron pot ensi t inggi y ang ber asal dar i oksidasi m olekul bahan bakar dapat digunakan pada r eaksi- r eaksi biosint esa yang m em er lukan daya per eduksi.
Nikot inam id adenin dinukleot ida ( NAD+) adalah pengem ban elekt r on ut am a
pada oksidasi m olekul bahan bakar. Bagian reakt if dari NAD+ adalah cincin
nikot inam idnya, suat u der ivat pir idin. Pada oksidasi subst r at , cincin nik ot inam id NAD+ m ener im a sat u ion hidr ogen dan dua elekt r on, yang ekivalen dengan sat u ion hidr ida( H-) .
lainny a t erdapat dalam pelarut sebagai prot on. Kedua elekt r on yang dilepaskan oleh subst r at dipindahkan kecincin nikot inam id.
Pengem ban elekt r on ut am a lainnya pada oksidasi m olekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleot ida ( FAD) . Bent uk t er eduksinya adalah FADH2. Bagian
r eakt if dar i FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD, seper t i j uga NAD+, dapat m ener im a dua elekt r on. Tet api t idak seper t i NAD+, FAD m engam bil pr ot on dan j uga ion hidr ida.
Ra n t a i pe r n a pa sa n da n fosfor ila si ok sida t if
NADH dan FADH2 yang t er bent uk pada r eaksi oksidasi dalam glik olisis, reak si
oksidasi asam lem ak dan r eaksi- r eaksi oksidasi dalam siklus asam sit r at m er upakan m olekul t inggi ener gi kar ena m asing- m asing m olekul t er sebut m engandung sepasang elek t ron y ang m em punyai pot ensial t ransfer t inggi. Bila elek t ron- elek t ron ini diber ikan pada oksigen m olekuler , sej um lah besar ener gi bebas akan dilepask an dan dapat digunakan unt uk m enghasilk an ATP. Adanya per bedaan pot ensial oksidasi r eduksi ( E0’) at au pot ensial t r ansfer elekt r on m em ungkinkan elekt r on m engalir dar i
unsur yang pot ensial r edoks lebih negat if ( afinit as elekt r onny a lebih r endah) ke unsur yang pot ensial r edoksnya lebih posit if ( afinit as elek t r onny a lebih t inggi) . Alir an elekt r on ini akan m elalui kom plek- kom plek pr ot ein yang t er dapat pada m em br an dalam m it okondr ia dan m enyebabkan pr ot on t er pom pa keluar dar i m at r iks m it okondr ia. Akibat ny a t er bent uk kekuat an daya ger ak pr ot on yang t er dir i dar i gr adien pH dan pot ensial list r ik t r ansm em br an yang kem udian m endor ong prot on m engalir k em bali k edalam m at rik s m elalui suat u k om plek s enzy m sint esa ATP. Jadi, ok sidasi dan fosforilasi t erangk ai m elalui gradien prot on pada m em bran dalam m it okondr ia. Fosfor ilasi oksidat if m er upakan pr oses pem bent ukan ATP ak ibat t r ansfer elekt r on dar i NADH at au FADH2 k epada ok sigen m elalui serangk aian
pengem ban elekt ron. Proses ini adalah sum ber ut am a pem bent ukan ATP pada or ganism e aer ob. Pem bent ukan ATP dalam glik olisis sem pur na glukosa m enj adi CO2
dan H2O, dar i 30 ATP yang t er bent uk 26 ATP ber asal dari pr oses fosforilasi ok sidat if.
Kom plek- kom plek enzym yang t er angkai pada m em br an dalam m it okondr ia unt uk pengangk ut an elekt r on dar i m olekul NADH at au FADH2 k e ok sigen m olek uler dim ana
t er bent uk sej um lah ATP dan m olek ul air dik enal dengan r ant ai per napasan. Kom plek enzym t er sebut adalah NADH- Q r edukt ase, suksinat - Q r edukt ase, sit okr om r edukt ase dan sit okr om oksidase. Suksinat - Q r edukt ase, ber beda dengan ket iga kom plek yang lain, t idak m em om pa pr ot on. Dalam fosfor ilasi oksidat if, daya ger ak elekt r on diubah m enj adi daya ger ak prot on dan kem udian m enj adi pot ensial fosfor ilasi. Fase per t am a adalah per an kom plek enzym sebagai pom pa pr ot on yait u NADH- Q r edukt ase, sit okr om r edukt ase dan sit okr om oksidase. Kom plek- kom plek t r ansm em br an ini m engandung banyak pusat oksidasi r eduksi seper t i flav in, k uinon, besi- beler ang, hem e dan ion t em baga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sint ase, suat u susunan pem bent uk ATP yang digerak k an m elalui alir an balik prot on k edalam m at r iks m it okondr ia.
Elekt r on pot ensial t inggi dar i NADH m asuk r ant ai per napasan pada NADH- Q r edukt ase at au disebut j uga dengan NADH dehidr ogenase at au kom plek I . Langkah aw al adalah pengikat an NADH dan t r ansfer dua elekt r onnya ke flavin m ononukleot ida ( FMN) , gugus pr ost et ik kom plek ini, m enj adi bent uk t er eduksi, FMNH2. Elekt r on
kem udian dit r ansfer dar i FMNH2 keser angkaian r um pun beler ang besi ( 4Fe- 4S) , j enis
kedua gugus pr ost et ik dalam NADH- Q r edukt ase. Elekt r on dalam r um pun beler ang-besi kem udian diangkut ke ko- enzym Q, dikenal j uga sebagai ubiquinon. Ubiquinon m engalam i r eduksi m enj adi r adikal bebas anion sem iquinon dan reduksi kedua t erj adi dengan pengam bilan elek t ron k edua m em bent uk ubiquinol ( QH2) yang t er ikat
enzym . Pasangan elekt r on pada QH2 dipindahkan ke rum pun beler ang besi ( 2Fe- 2S)
dalam int i hidrofobik m em bran dalam m it ok ondria. Aliran dua elek t ron ini m enyebabkan t er pom panya em pat H+ dar i m at r iks kesisi sit osol m em br an dalam m it okondr ia, dengan m ekanism e yang belum diket ahui.
Ubiquinol ( QH2 ) j uga m er upakan t em pat m asuk elekt r on dar i FADH2 enzym
-enzym flavopr ot ein ker ant ai per napasan. Suksinat dehidr ogenase m er upakan bagian dar i kom plek suksinat - Q r edukt ase at au disebut j uga kom plek I I , suat u pr ot ein
int egr al m em br an dalam m it okondr ia. FADH2 t idak m eninggalk an kom plek,
elekt r onnya dit r ansfer ker um pun beler ang- besi dan kem udian ke Q unt uk m asuk dalam rant ai pernapasan. Enzym - enzy m flav oprot ein lain seper t i gliserol fosfat dehidr ogenase dan asil- ko- A dehidr ogenase yang m em bent uk gugus pr ost et ik t er eduksi FADH2, elek t r onnya dipindahkan ke flavopr ot ein kedua yang disebut
flavoprot ein pem indah elekt r on at au ETF ( elect r on t ransfer r ing flavopr ot ein) . Selanj ut nya ETF m em ber ik an elekt r onnya ker um pun beler ang besi dan Q unt uk m asuk r ant ai per napasan dalam bent uk QH2. Ber beda dengan kom plek I , kom plek I I
dan enzym lain yang m ent r ansfer elekt r on dar i FADH2 ke Q t idak m em om pa pr ot on
kar ena per ubahan energi bebas dar i r eaksi yang dikat alisanya t er lalu kecil. I t ulah sebabnya, ATP yang t er bent uk pada oksidasi FADH2 lebih sedikit dar i pada m elalui
NADH.
Pom pa pr ot on kedua dalam r ant ai per napasan adalah sit okr om r edukt ase at au ubiquinol- sit okr om c r edukt ase at au kom plek sit okr om bc1 at au disebut j uga
kom plek I I I . Sit okr om m er upakan pr ot ein pem indah elekt r on yang m engandung hem e sebagai gugus pr ost et ik. Kom plek I I I ini berfungsi m engkat alisir t ransfer elekt ron dari QH2 kesit okr om c dan secar a ber sam aan m em om pa pr ot on sebanyak
dua H+ m elew at i m em bran dalam m it okondria. Ada dua sit okr om yait u b dan c1
dalam k om plek ini, j uga m engandung prot ein Fe- S dan beber apa r ant ai polipept ida lain. Hem e pada sit okr om b ber beda dar i hem e yang ada pada sit okr om c dan c1
yang t er ikat secar a kovalen ber upa ikat an t ioest er pada prot einnya.
Sit okr om oksidase, kom ponen t erakhir dar i t iga pom pa prot on dalam r ant ai pernapasan, m engk at alisis t ransfer elek t ron dari ferosit ok rom c k em olek ul ok sigen sebagai aksept or t er akhir . Sit okr om oksidase m engandung dua gugus hem e yang ber beda dar i hem e pada sit okr om c dan c1 kar ena gugus r ant ai sam ping hem enya
dan ik at anny a pada enzy m secara non k ov alen. Hem e k om plek ini dik enali sebagai hem e a dan hem e a3, k arenany a kom plek ini j uga disebut sit ok rom aa3. Selain hem e
k om plek ini j uga m engandung dua ion t em baga, dik enal dengan CuA dan CuB.
Fer osit okr om c m em ber ikan sat u elekt r onnya ker um pun hem e a- CuA dan sat u lagi
ker um pun hem e a3- CuB dim ana ok sigen direduk si m elalui ser angk aian langk ah
m enj adi dua m olekul H2O. Molek ul ok sigen m erupak an eksept or elekt r on t er m inal
y ang ideal. Afinit asny a y ang t inggi t er hadap elekt r on m em ber i daya gerak t erm odinam ik y ang besar unt uk fosforilasi ok sidat if. Terj adi pem om paan prot on em pat H+ kesisi sit osol dar i m em br an.
Sej um lah ATP yang dibent uk pada per ist iw a fosfor ilasi oksidat if dir ant ai per napasan t idak begit u past i kar ena st oikiom et r i pom pa pr ot on, sint esa ATP dan pr oses t r anspor t m et abolit e t idak har us dalam j um lah bulat at au ber nilai t et ap. Menurut per kir aan saat ini, j um lah H+ yang dipom pa dar i m at r ik s kesisi sit osol m em br an oleh Kom plek enzym I , I I I dan I V per pasangan elekt r on, m asing- m asing adalah 4, 2 dan 4. Sint esa ATP diger akkan oleh alir an kir a- kir a t iga H+ m elalui ATP sint ase. Sedangkan unt uk m engangkut ATP dar i m at r iks kesit osol m em er lukan sat u H+ t am bahan. Dengan dem ikian t er bent uk kira- kir a 2,5 ATP sit osol akibat alir an sepasang elekt r on dar i NADH ke oksigen. Unt uk elekt r on yang m asuk pada t ahap kom plek I I I , m isalnya yang ber asal dar i oksidasi suksinat , hasilnya adalah kir a- kir a 1,5 ATP per pasangan elekt r on.
Kecepat an fosfor ilasi oksidat if dit ent ukan oleh k ebut uhan ATP. Transport
per napasan ke oksigen bila t idak ada ADP yang secar a sim ult an m engalam i fosforilasi m enj adi ATP. Fosforilasi ok sidat if m em er lukan suplai NADH at au sum ber elek t ron lain dengan pot ensial t inggi, ok sigen, ADP dan or t ofosfat . Fakt or t er pent ing dalam m enent ukan kecepat an fosfor ilasi ok sidat if adalah kadar ADP. Kecepat an konsum si oksigen oleh m it okondr ia m eningkat t aj am bila dit am bahkan ADP dan k em bali k enilai sem ula bila ADP y ang dit am bahk an sudah difosforilasi m enj adi ATP. Pengat ur an oleh kadar ADP ini disebut pengat uran respirasi. Kepent ingan fisiologis m ekanism e pengat ur an ini j elas, kadar ADP m eningkat bila ATP dipakai dan dengan dem ik ian fosforilasi ok sidat if t erangk ai dengan penggunaan ATP. Elekt r on t idak m engalir dari m olek ul bahan bak ar k em olek ul ok sigen bila sint esa ATP t idak diper lukan.
Tr ansfer elekt r on dalam r ant ai per napasan dapat diham bat oleh banyak inhibit or spesifik . I nhibit or- inhibit or ini dibagi m enj adi t iga golongan y ait u inhibit or r ant ai per napasan, inhibit or fosfor ilasi oksidat if dan pem ut us r angkaian ( uncoupler ) fosforilasi ok sidat if. Am obarbit al ( barbit urat ) , pier isidin A ( ant ibiot ik ) , insek t isida dan r ot enon ( racun ik an) m engham bat t r ansfer elekt r on dalam NADH- Q r edukt ase dengan m enyekat pem indahan elekt r on dar i Fe- S k e Q. Kar boksin dan TTFA m engham bat alir an elekt r on dalam suksinat - Q r edukt ase, sedangkan m alonat m er upakan inhibit or kom pet it if dari enzy m suksinat dehidr ogenase. Dim er kapr ol dan ant im isin A m engham bat elekt r on dar i sit okr om b dalam sit okr om r edukt ase. Racun k lasik sepert i H2S, k arbon m onok sida ( CO) , sianida ( CN-) dan azida ( N3-)
m engham bat sit okr om oksidase dan dapat m enghent ik an respirasi secara t ot al. Oligom isin ( ant ibiot ik ) m engham bat fosforilasi dan dengan begit u j uga m engham bat oksidasi sedangkan at r akt ilosida dan asam bongkr ek m engham bat pengangk ut an ADP kem it okondr ia dan ATP keluar m it okondr ia, sehingga m enganggu fosfor ilasi oksidat if. Senyaw a- senyaw a pem ut us r angkaian m em isahkan pr oses oksidasi dalam r ant ai per napasan dengan pr oses fosforilasi. Pem isahan ini m enyebabkan r espirasi m enj adi t ak t erk endali, k arena k onsent rasi ADP dan or t ofosfat t idak lagi m em bat asi laj u respirasi . seny aw a- seny aw a ini ant ara lain adalah dinit r ofenol, dinit rokresol, pent aklor ofenol dan yang m em ilik i daya paling kuat sam pai ser at us kali lebih besar dari y ang lain adalah CCCP ( k lorok arbonil sianida phenilhidrazon) .
Ele k t r on da r i N AD H sit osol
Mem br an dalam m it ok ondr ia t idak per m eabel t er hadap NADH dan NAD+. NADH yang t er bent uk pada glik olisis disit osol, pada ok sidasi gliser aldehid 3- fosfat , har us dioksidasi kem bali m enj adi NAD+ unt uk kelangsungan glik olisis. Bagaim ana NADH sit osol dapat dioksidasi m elalui r ant ai per napasan bila t idak dapat m asuk kem it okondr ia? Pem ecahannya adalah elekt r onnya saj a yang dibaw a m elint asi m em br an m it okondr ia. Salah sat u pem baw a adalah gliser ol 3- fosfat yang dapat m enyebr angi m em br an luar m it okondr ia. Langkah per t am a dalam sist em ini adalah pem indahan elekt r on dar i NADH k e dihidrok siaset on fosfat m em bent uk gliserol 3-fosfat yang dikat alisa oleh gliser ol 3- 3-fosfat dehidr ogenase. gliser ol 3- 3-fosfat ber difusi kedalam m it okondr ia dan dioksidasi kem bali m enj adi dihidr oksiaset on fosfat pada perm ukaan luar m em bran dalam m it okondr ia. Sepasang elekt r on dar i gliser ol 3-fosfat dit r ansfer kegugus pr ost et ik gliser ol dehidrogenase m it okondria. Enzym ini ber beda dengan enzym ser upa yang ada disit osol, kar ena m enggunakan FAD dan bukan NAD sebagai aksept or elekt r on selain it u j uga m erupak an prot ein t r ansm em br an. Dihidr oksiaset on fosfat yang t er bent uk kem udian ber difusi kem bali k edalam sit osol unt uk m elengk api sist em angkut ini. Flav in t ereduk si dalam m it okondr ia m em indahkan elekt r onnya kepem baw a elekt r on Q dan m asuk rant ai per napasan dalam bent uk QH2. Akibat nya hanya t er bent uk 1,5 ATP dan bukan 2,5
kedalam m it okondr ia m elaw an gr adien konsent r asi NADH , w alaupun unt uk it u , sist em angkut ini har us m er ugi sat u ATP dibanding bila sist em m enggunakan NAD+. Sist em angkut ini t er ut am a ber per an pada ot ot t er bang ser angga yang dapat m em per t ahankan kecepat an fosforilasi oksidat if yang sangat t inggi .
Dalam j ant ung dan hat i, elekt r on dar i NADH sit osol dibaw a kedalam m it okondria m elalui sit em angkut m alat - aspar t at , yang m enggunakan dua penggem ban m em br an dan em pat enzym . Diaw ali dengan t r ansfer elekt r on dar i NADH sit osol ke oksaloaet at , m em bent uk m alat , yang kem udian m elint asi m em br an dalam m it ok ondria dan diok sidasi k em bali m elalui NAD+ dalam m at r iks m it okondr ia m em bent uk NADH. Kar ena oksaloaset at yang dibent uk t idak m udah m elint asi m em br an dalam m it okondr ia, diper lukan r eaksi t r ansam inasi unt uk m em bent uk aspar t at , yang dapat diangkut kesisi sit osol. Ber beda dar i sist em angkut gliser ol fosfat , NADH hanya dapat dibaw a kedalam m it okondr ia bila r at io NADH / NAD+ disit osol lebih t inggi dar i pada dim at riks m it okondr ia.
Pr ot e in pe n ga n gk u t da la m m it ok on dr ia
Mit okondr ia m er upakan or ganel yang ber bent uk lonj ong, biasanya dengan panj ang kur ang lebih dua m ikr om et er dan diam et er set engah m ikr om et er . Mit okondr ia m engandung susunan r ant ai per napasan, enzym - enzym siklus asam sit r at dan enzym - enzym oksidasi asam lem ak . m it ok ondria m em ilik i dua sist em m em br an, m em br an luar dan m em br an dalam yang luas dan ber lipat - lipat . Lipat an-lipat an pada m em br an dalam disebut kr ist a. Dua kom part em en dalam m it okondr ia yait u r uang ant ar m em br an ( r uang ant ar a m em br an dalam dan m em br an luar m it okondr ia) dan m at r iks yang dibat asi m em br an dalam . Mem br an luar cukup per m eabel unt uk sebagian besar m olekul kecil dan ion, kar ena m engandung bany ak por in, suat u pr ot ein t r ansm em br an dengan por i besar . Sebaliknya ham pir t idak ada ion at au m olek ul polar y ang dapat m enem bus m em bran dalam . Sek elom pok besar pr ot ein t r anspor t m engangkut m et abolit sepert i ATP dan sit rat , m elalui m em bran dalam kedalam m at r iks dan sebaliknya. Kedua sisi m em br an dalam disebut sisi m at rik s ( sisi negat if) dan sisi sit osol ( sisi posit if) k arena pot ensial m em bran ant ara dua sisi t er sebut . Sisi r uang ant ar m em br an dikat akan sisi sit osol kar ena dapat dicapai oleh ham pir sem ua m olek ul k ecil dalam sit osol.
ATP dan ADP t idak ber difusi bebas m elint asi m em bran dalam m it okondria. Suat u prot ein t ransport spesifik , ATP- ADP t ranslok ase ( pem baw a adenin nuk leot ida) , m em ungkink an m olekul yang t inggi m uat an ini m eny ebrangi saw ar perm eabilit as m em br an dalam m it okondr ia. Alir an ATP dan ADP t er angkai secar a ant ipor t , ADP m asuk m at rik s bila ATP k eluar m at rik s m it okondr ia, dan sebaliknya. Per t ukar an ATP-ADP sangat banyak m engunakan ener gi, kur ang lebih seper em pat ener gi yang dihasilkan pada t r ansfer elekt ron m elalui rant ai pernapasan.
Beber apa pr ot ein pengangkut at au pengem ban m it okondria lain unt uk ion dan m et abolit e ber m uat an beker j a dengan car a sim por t dan ant ipor t . Pengem ban fosfat , beker j a ber sam a dengan t r anslokase ATP- ADP, m enyebabkan per t ukar an ant ara Pi ( sebagai ion H2PO4-) dengan OH- at au sim por t dar i Pi dan H+. Ker j asam a kedua
pengangk ut ini, m enyebabkan pert ukar an ADP dan Pi sit osol dengan ATP m at riks, diser t ai m asuknya sat u H+. Pengem ban dikar boksilat , m em ungkinkan m alat , suksinat dan fum ar at dikeluar k an dar i m it okondr ia secar a ant ipor t dengan Pi. Pengem ban t r ikar boksilat , m engangkut sit r at dan sat u prot on m asuk m it okondr ia secar a ant ipor t dengan m alat . Pengem ban pir uvat , m em bawa m asuk pir uvat dar i sit osol kem at rik s m it okondr ia secar a sim por t dengan H+ at au secar a ant ipor t dengan OH-. Pengangkut
dan asam m onokar boksilat ( seper t i 3- hidr oksibut ir at , aset oaset at , dan aset at ) , sedangkan asam lem ak r ant ai panj ang m asuk m it okondr ia dengan pem baw a k arnit in.
Kr e a t in fosfa t m e n ga n gk u t fosfa t e n e r gi t in ggi
Ger akan ulang alik kreat in fosfat m em ungkinkan pem indahan cepat fosfat ener gi t inggi dar i m it ok ondr ia kesit osol. Ger ak an ini m enguat kan fungsi kr eat in fosfat sebagai pendapar energi dengan beker j a sebagai suat u sist em yang dinam is unt uk pem indahan fosfat ener gi t inggi dar i m it okondr ia pada j ar ingan yang akt if seper t i ot ot j ant ung dan ot ot skelet . Jum lah ATP pada ot ot hanya m encukupi unt uk m enopang akt ivit as pr oduksi selam a kur ang dar i sat u det ik. Ot ot ver t ebr at a m engandung gudang fosfat ener gi t inggi dalam bent uk kreat in fosfat ( fosfokr eat in) , yang dapat dengan m udah m ent ransfer fosfat ener gi t ingginya ke ADP m em bent uk ATP. Kr eat in fosfat m em per t ahank an konsent r asi ATP t inggi selam a periode kerj a ot ot .
Kr eat in kinase yang ada pada r uang ant ar m em br an m it okondr ia, m engkat alisa pem indahan fosfat ener gi t inggi dar i ATP kepada kr eat in. Selanj ut nya, kr eat in fosfat yang t er bent uk diangkut kesit osol m elalui por in ( por i- por i pr ot ein) yang t er dapat pada m em br an luar m it okondr ia. I sozym kreat in kinase yang ber beda m engant ar ai pem indahan fosfat ener gi t inggi ke dan dar i ber bagai sist em yang m enggunakan at au m enghasilkannya. CKa, kreat in kinase yang ber t anggung j aw ab t er hadap kebut uhan ATP yang besar , seper t i kont r aksi ot ot . CKc, kr eat in kinase unt uk m em per t ahankan keseim bangan ant ar a kr eat in dan kr eat in fosfat , j uga keseim bangan ATP dan ADP. CKg, kr eat in kinase yang m enggabungk an glik olisis pada kr eat in unt uk sint esa kr eat in fosfat . Dan CKm, kr eat in kinase m it okondr ia yang
m em per ant ar ai pem bent ukan kr eat in fosfat dar i ATP yang t er bent uk m elalui fosfor ilasi ok sidat if. Kreat in fosfat + ADP + H+ ⇔ ATP + kr eat in, ener gi bebas st andar t hidr olisa kr eat in fosfat adalah –10,3 kkal/ m ol, dibandingkan dengan hidr olisa ATP yang –7,3 kkal/ m ol m aka, per ubahan ener gi bebas st andart pada pem bent ukan ATP dar i kr eat in fosfat adalah –3 k k al/ m ol. Pot ensial t ransfer fosforil kr eat in fosfat yang lebih t inggi dari ATP, m enyebabkan kreat in fosfat m enj adi dapar fosfat ener gi t inggi yang sangat efekt if.
Ke sim pu la n
1. Reaksi ber langsung spont an bila t er j adi pelepasan ener gi bebas (tG negat if)
yait u r eaksi t er sebut ber sifat ek sergonik , dan j ik a tG posit if, r eak si hanya
ber langsung bila diper oleh energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik .
2. ATP adalah zat per ant ar a penukar ener gi bebas, yang m er angkaikan pr oses-pr oses yang ber sifat ekser gonik dengan oses-pr oses- oses-pr oses yang ber sifat ender gonik. 3. Enzym oksidase dan dehidr ogenase m em ilik i peran ut am a dalam pr oses rant ai
per napasan.
4. Kom plek- kom plek enzym dalam r ant ai per napasan m enggunakan pot ensial ener gi dar i gr adien pr ot on unt uk m ensint esa ATP dar i ADP dan Pi. Dengan dem ik ian j elas t er lihat bahw a rangk aian r eaksi oksidasi t er angkai er at dengan fosforilasi.
5. Ter dapat sej um lah senyaw a kim ia yang dapat m engham bat r angkaian r eaksi oksidasi dan per ist iw a fosfor ilasi at au m em ut us r angkaian oksidasi dan fosfor ilasi. 6. Ter dapat pr ot ein pengangkut khusus unt uk per lint asan beber apa ion dan
D AFTAR PUSTAKA
- Cham pe P C PhD, Har vey R A PhD. Lippincot t ’s I llust r at ed Review s: Biochem ist r y 2nd .1994 : 61 – 72
- Lehninger A, Nelson D, Cox M M. Pr inciples of Biochem ist r y 2nd 1993 : 364 - 394
- Mur r ay R K, et al. Har per ’s Biochem ist r y 25t h ed. Applet on & Lange. Am er ica 2000 : 123 - 148
