FOSFORILASI OKSIDATIF FOSFORILASI OKSIDATIF
Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme yang bertujuan untuk Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme yang bertujuan untuk menghasilkan energi berupa ATP, yaitu dengan menggunakan energi yang dilepaskan oleh menghasilkan energi berupa ATP, yaitu dengan menggunakan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien. Lintasan ini merupakan cara yang paling efisien dalam menghasilkan energi oksidasi nutrien. Lintasan ini merupakan cara yang paling efisien dalam menghasilkan energi dibandingkan dengan proses fermentasi dan glikolisis anaerob. Proses ini terjadi di dalam dibandingkan dengan proses fermentasi dan glikolisis anaerob. Proses ini terjadi di dalam mitokondria.
mitokondria.
NADH dan FADH
NADH dan FADH22 hasil dari siklus asam sitrat merupakan bahan bakar dalam proseshasil dari siklus asam sitrat merupakan bahan bakar dalam proses fosforilasi oksidatif yang bekerja di mitokondria. NADH dan FADH
fosforilasi oksidatif yang bekerja di mitokondria. NADH dan FADH22 di akan melalui beberapadi akan melalui beberapa kompleks dalam membran mitokondria.
kompleks dalam membran mitokondria. 1.
1. NADH-koenzim Q oksidoreduktase (kompleks I) NADH-koenzim Q oksidoreduktase (kompleks I)
NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron. Elektron NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron. Elektron tersebut kemudian memasuki kompleks I via flavin mononukleotida (FMN), suatu gugus tersebut kemudian memasuki kompleks I via flavin mononukleotida (FMN), suatu gugus prostetik yang melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya prostetik yang melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya
menjadi bentuk tereduksi, FMNH
menjadi bentuk tereduksi, FMNH22. Elektron kemudian ditransfer melalui rangkaian. Elektron kemudian ditransfer melalui rangkaian gugus besi-sulfur. Terdapat baik jenis gugus besi-sulfur [2Fe±2S] maupun [4Fe±4S] gugus besi-sulfur. Terdapat baik jenis gugus besi-sulfur [2Fe±2S] maupun [4Fe±4S] dalam kompleks I.
Saat elektron masuk, terdapat 4H+ yang ditransferkan ke dalam ruang antarmembran. Kemungkinan proses ini terjadi yaitu dengan terikatnya H+ yang bermuatan positif pada bagian protein yang bermuatan negatif, lalu H+ dipindahkan ke
sisi positif dari protein.
2. Suksinat-Q oksidoreduktase (kompleks II)
Suksinat-Q oksidoreduktase, juga dikenal sebagai kompleks II atau suksinat dehidrogenase, adalah titik masuk kedua pada rantai transpor elektron. Kompleks II terdiri dari empat subunit protein dan mengantung sebuah kofaktor flavin adenina dinukleotida (FAD) yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan sebuah gugus heme yang tidak berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q, namun dipercayai penting dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif. Enzim ini mengoksidasi suksinat menjadi fumarat dan mereduksi ubikuinon. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor proton melewati membran dan tidak berkontribusi terhadap gradien proton.
Flavoprotein transfer elektron-ubikuinon oksidoreduktase (ETF-Q oksidoreduktase), juga dikenal sebagai flavoprotein-pentransfer elektron dehidrogenase,
adalah titik masuk ketiga pada rantai transpoer elektron. Ia merupakan enzim yang menerima elektron dari flavoprotein pentransfer elektron pada matriks mitokondria, dan menggunakan elektron ini untuk mereduksi ubikuinon. Enzim ini mengandung sebuah flavin dan sebuah gugus [4Fe-4S], namun tidak seperti kompleks respirasi lainnya, ia melekat pada permukaan membran dan tidak menembus lipid dua lapis.
Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dalam oksidasi beta asam lemak dan katabolisme asam amino dan kolina, karena ia menerima elektron dari banyak asetil-KoA dehidrogenase. Pada tumbuhan, ETF-Q oksidoreduktase juga penting dalam respon metabolik yang mengijinkan keberlangsungan hidup tumbuhan pada periode lingkungan gelap yang berkepanjangan
3. Q-sitokrom c oksidoreduktase (kompleks III)
Q-sitokrom c oksidoreduktase juga dikenal sebagai sitokrom c reduktase, kompleks sitokrom bc1, atau kompleks III. 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.
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 sitokrom c yang merupakan substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan dari QH2 dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat 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.
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.
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.
4. Sitokrom c oksidase (kompleks IV)
Sitokrom c oksidase, juga dikenal dengan nama kompleks IV, adalah kompleks protein terakhir pada rantai transpor elektron.
Dari penelitian pada hepatosit hewan sapi, enzim ini memiliki struktur kompleks yang mengandung 13 subunit, antara lain 5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2 asam kolat, 2 gugus heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, meliputi tiga atom tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua lintasan peletup ion H+ ditemukan membentang dari matriks hingga sitop lasma.
Pada model hepatosit hewan sapi, ion H+ dengan energi potensial elektrostatik berkisar antara 635meV, tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase fosfolipid vesikel (COV) pada kedua fasa oksidatif dan reduktif, setelah dikirimkan dari proton loading site (PLS), pada saat ion H+ berikutnya tiba di PLS. Mekanisme yang ditunjukkan oleh peletupan ion H+ pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks. Peletupan ion H+
(bahasa Inggris: deprotonation) terjadi bersamaan dengan perubahan gugus karboksil asam aspartat yang berada pada permukaan intermembran menjadi aspargina.
Enzim ini memediasi reaksi terakhir pada rantai transpor elektron dan mentransfer elektron ke oksigen, manakala memompa proton melewati membran. Oksigen yang menerima elektron, juga dikenal sebagai akseptor elektron terminal, direduksi menjadi air. Baik pemompaan proton secara langsung maupun konsumsi proton matriks pada
reduksi oksigen berkontribusi kepada gradien proton. Menurut Keilin, reaksi yang dikatalisis oleh sitokrom c dan reduksi oksigennya ada lah:
5. ATP sintase (kompleks V)
ATP sintase, juga disebut kompleks V, adalah enzim terakhir dalam lintasan fosforilasi oksidatif. Enzim ini ditemukan di seluruh organisme hidup dan berfungsi sama pada prokariota maupun eukariota. Enzim ini menggunakan energi yang tersimpan pada
gradien proton di sepanjang membran untuk mendorong sintesis ATP dari ADP dan fosfat (Pi). Perkiraan jumlah proton yang diperlukan untuk mensintesis satu ATP berkisar antara tiga sampai dengan empat, dengan beberapa peneliti yang mensugestikan bahwa sel dapat memvariasikan rasio ini sesuai dengan k ondisi.
Reaksi fosforilasi ini adalah reaksi kesetimbangan, yakni ia dapat digeser dengan mengubah gaya gerak proton. Dengan ketiadaan gaya gerak proton, reaksi ATP sintase akan berjalan dari sisi kanan ke kiri, menghidrolisis ATP dan memompa proton keluar dari matriks melewati membran. Namun, ketika gaya gerak protonnya tinggi, reaks dipaksa untuk berjalan secara terbalik, yaitu dari sisi kanan ke kiri, mengijinkan proton mengalir dan mengubah ADP menjadi ATP.
ATP sintase adalah sebuah kompleks protein yang besar dengan bentuk seperti jamur. Kompleks enzim ini pada mamalia mengandung 16 subunit dan memiliki massa kira-kira 600 kilodalton. Bagian yang tertanam pada membran disebut FO dan mengandung sebuah cincin subunit c dan saluran proton. "Tangkai" dan kepala yang berbentuk bola disebut F1 dan merupakan tempat sintesis ATP. Kompleks yang berbentuk bola pada ujung akhir F1 mengandung enam protein yang dapat dibagi menjadi
dua jenis: tiga subunit dan tiga subunit , manakala bagian "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit , dengan ujung tangkai menusuk ke dalam bola subunit dan . Baik
subunit dan mengikat nukleotida, namun hanya subunit yang mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F1 pula terdapat sebuah subunit berbentuk batang yang menghubungakan subunit dan dengan dasar enzim.
Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui saluran ini, motor FO berotasi. Rotasi dapat disebabkan oleh perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c, menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit c. Cincin yang berotasi ini pada akhirnya akan memutar "as roda" (tangkai subunit ). Subunit dan dihalangi untuk berputar oleh batang samping yang berfungsi sebagai stator. Pergerakan ujung subunit yang berada dalam bola subunit dan memberikan energi agar tapak aktif pada subunit menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan kemudian melepaskan ATP.
Mekanisme ATP sintase. ATP ditunjukkan dengan warna merah, ADP dan fosfat dalam warna merah jambu, dan subunit yang berputar dalam warna hitam.
Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai mekanisme perubahan ikatan (binding change mechanism) dan melibatkan tapak aktif subunit yang berputar terus dalam tiga keadaan. Pada keadaan "terbuka", ADP dan fosfat memasuki tapa aktif (ditunjukkan dalam warna coklat pada diagram). Protein kemudian menutup dan mengikat ADP dan
fosfat secara longgar (keadaan "longgar" ditunjukkan dalam warna merah). Enzim kemudian berubah bentuk lagi dan memaksa kedua molekul ini bersama, dengan tapak aktif dalam keadaan "ketat" (ditunjukan dalam warna merah jambu) dan mengikat molekul ATP yang terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke keadaan terbuka dan melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat, dan memulai siklus yang baru.
