SISTEM TRANSPORT ELEKTRON RESPIRASI

Sebelumnya kita mengetahui 2 tahap respirasi seluler dan 1 tahap transisi siklus krebs 
berupa DO yang tidak menghasilkan ATP.
2 tahap itu yaitu

1. glikolisis : menghasilkan 2 ATP , 2 NADH dan 2 Piruvat
2. siklus asam sitrat /siklus krebs : yang menghasilkan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH dan 4 CO2 setiap oksidasi 1 molekul Glukosa .  

Namun, sebagian besar ATP yang dihasilkan selama katabolisme aerobik glukosa tidak dihasilkan langsung dari jalur diatas. 

Sebaliknya, ia berasal dari proses yang dimulai dengan elektron bergerak melalui serangkaian transporter elektron yang mengalami reaksi redoks: rantai transpor elektron . 

Ini menyebabkan ion hidrogen menumpuk di dalam ruang matriks. Oleh karena itu, gradien konsentrasi terbentuk di mana ion hidrogen berdifusi keluar dari ruang matriks dengan melewati ATP sintase. Arus ion hidrogen menguatkan aksi katalitik ATP sintase, yang memfosforilasi ADP, menghasilkan ATP.

Gambar 1. Rantai transpor elektron adalah serangkaian transporter elektron yang tertanam dalam membran mitokondria bagian dalam yang mengirim elektron dari NADH dan FADH ₂ ke oksigen molekuler. Dalam prosesnya, proton dipompa dari matriks mitokondria ke ruang antarmembran, dan oksigen direduksi untuk membentuk air.

Rantai transpor elektron (Gambar 1) adalah komponen terakhir dari respirasi aerobik dan merupakan satu-satunya bagian dari metabolisme glukosa yang menggunakan oksigen atmosfer. Oksigen terus menerus berdifusi menjadi tanaman; pada hewan, ia memasuki tubuh melalui sistem pernapasan. Transpor elektron adalah serangkaian reaksi redoks yang menyerupai perlombaan relai atau brigade ember di mana elektron dilewatkan dengan cepat dari satu komponen ke komponen berikutnya, ke titik akhir rantai di mana elektron mengurangi oksigen molekuler, menghasilkan air. Ada empat kompleks yang terdiri dari protein, diberi label I hingga IV pada Gambar 1, dan agregasi dari empat kompleks ini, bersama-sama dengan seluler yang terkait, pembawa elektron aksesori, disebut rantai transpor elektron. Rantai transpor elektron hadir dalam beberapa salinan di membran mitokondria bagian dalam eukariota dan membran plasma prokariota. Perhatikan, bagaimanapun, bahwa rantai transpor elektron prokariota mungkin tidak memerlukan oksigen karena beberapa hidup dalam kondisi anaerob. Fitur umum dari semua rantai transpor elektron adalah keberadaan pompa proton untuk membuat gradien proton melintasi membran.

Kompleks I

Untuk memulai, 

• dua elektron dibawa ke kompleks pertama di atas NADH.  
• Kompleks ini, berlabel I, terdiri dari flavin mononucleotide (FMN) dan protein yang mengandung besi-sulfur (Fe-S). FMN, yang berasal dari vitamin B ₂ , juga disebut riboflavin, adalah salah satu dari beberapa kelompok prostetik atau co-faktor dalam rantai transpor elektron.  
• Sebuah  kelompok prostetik adalah molekul non-protein yang dibutuhkan untuk aktivitas protein.maka Sebaiknya kita harus mengkonsumsi vitamin B2 selain protein agar oksidasi bisa berlangsung OK 
  
• Kelompok prostetik adalah molekul non-peptida organik atau anorganik yang terikat pada protein yang memfasilitasi fungsinya; kelompok prostetik termasuk ko-enzim, yang merupakan kelompok enzim prostetik. 
•  Enzim dalam kompleks I adalah NADH dehydrogenase dan merupakan protein yang sangat besar, mengandung 45 rantai asam amino. Kompleks I dapat memompa empat ion hidrogen melintasi membran dari matriks ke ruang antarmembran, dan dengan cara inilah gradien ion hidrogen terbentuk dan dipertahankan antara dua kompartemen yang dipisahkan oleh membran mitokondria bagian dalam.

Q dan Complex II

Kompleks II 
untuk memahami ini secara langsung menerima FADH ₂ , yang tidak melewati kompleks I. Senyawa yang menghubungkan kompleks pertama dan kedua dengan yang ketiga adalah  ubiquinone (Q).  

• Molekul Q larut dalam lemak dan bergerak bebas melalui inti hidrofobik membran.  
• Setelah dikurangi, (QH ₂ ), ubiquinone mengirimkan elektronnya ke kompleks berikutnya dalam rantai transpor elektron. Q menerima elektron yang berasal dari NADH dari kompleks I dan elektron yang berasal dari FADH ₂ dari kompleks II, termasuk dehidrogenase suksinat.  
• Enzim ini dan FADH ₂membentuk kompleks kecil yang mengantarkan elektron langsung ke rantai transpor elektron, melewati kompleks pertama. 
• Karena elektron ini mem-bypass dan dengan demikian tidak memberi energi pada pompa proton di kompleks pertama, lebih sedikit molekul ATP yang dibuat dari elektron FADH ₂ . 
•  Jumlah molekul ATP yang akhirnya diperoleh berbanding lurus dengan jumlah proton yang dipompa melintasi membran mitokondria bagian dalam.

Kompleks III

Kompleks ketiga terdiri dari sitokrom b, protein Fe-S lainnya, pusat Rieske (pusat 2Fe-2S), dan protein sitokrom c; kompleks ini juga disebut sitokrom oksidoreduktase. Protein sitokrom memiliki kelompok prostetik heme. Molekul heme mirip dengan heme di hemoglobin, tetapi membawa elektron, bukan oksigen. Akibatnya, ion besi pada intinya berkurang dan teroksidasi ketika melewati elektron, berfluktuasi antara berbagai keadaan oksidasi: Fe ^+ + (dikurangi) dan Fe ^+ + +(teroksidasi). Molekul heme dalam sitokrom memiliki karakteristik yang sedikit berbeda karena efek dari protein berbeda yang mengikatnya, memberikan karakteristik yang sedikit berbeda untuk setiap kompleks. Complex III memompa proton melalui membran dan meneruskan elektronnya ke sitokrom c untuk diangkut ke kompleks keempat protein dan enzim (sitokrom c adalah akseptor elektron dari Q; namun, sedangkan Q membawa pasangan elektron, sitokrom c hanya dapat menerima satu pada suatu waktu).

Kompleks IV

Kompleks keempat terdiri dari protein sitokrom c, a, dan ₃ . Kompleks ini mengandung dua kelompok heme (satu di masing-masing dari dua sitokrom, a, dan ₃ ) dan tiga ion tembaga (sepasang Cu _A dan satu Cu _B dalam sitokrom a ₃ ). Sitokrom memegang molekul oksigen yang sangat erat antara ion besi dan tembaga sampai oksigen benar-benar berkurang. Oksigen tereduksi kemudian mengambil dua ion hidrogen dari media sekitarnya untuk menghasilkan air (H ₂ O). Penghapusan ion hidrogen dari sistem berkontribusi terhadap gradien ion yang digunakan dalam proses chemiosmosis.

Chemiosmosis

Dalam chemiosmosis, energi bebas dari serangkaian reaksi redoks yang baru saja dijelaskan digunakan untuk memompa ion hidrogen (proton) melintasi membran. Distribusi ion H ^{+ yang} tidak merata melintasi membran membentuk gradien listrik dan konsentrasi (dengan demikian, gradien elektrokimia), karena muatan positif ion hidrogen dan agregasi mereka di satu sisi membran.

Jika membran terbuka untuk difusi oleh ion hidrogen, ion akan cenderung berdifusi kembali ke dalam matriks, didorong oleh gradien elektrokimia mereka. Ingatlah bahwa banyak ion tidak dapat berdifusi melalui daerah nonpolar membran fosfolipid tanpa bantuan saluran ion. Demikian pula, ion hidrogen dalam ruang matriks hanya dapat melewati membran mitokondria bagian dalam melalui protein membran integral yang disebut ATP sintase (Gambar 2). Protein kompleks ini bertindak sebagai generator kecil, yang diubah oleh gaya ion hidrogen yang menyebar melaluinya, menurunkan gradien elektrokimia mereka. Pembalikan bagian-bagian dari mesin molekuler ini memfasilitasi penambahan fosfat ke ADP, membentuk ATP, menggunakan energi potensial dari gradien ion hidrogen.

PERTANYAAN LATIHAN

Gambar 2. ATP synthase adalah mesin molekul yang kompleks yang menggunakan gradien proton (H +) untuk membentuk ATP dari ADP dan inorganic phosphate (Pi). (Kredit: modifikasi karya Klaus Hoffmeier)

Dinitrophenol (DNP) adalah pelepas yang membuat membran mitokondria bagian dalam bocor ke proton. Itu digunakan sampai 1938 sebagai obat penurun berat badan. Apa efek yang Anda harapkan dari DNP terhadap perubahan pH di membran mitokondria bagian dalam? Menurut Anda mengapa ini bisa menjadi obat penurun berat badan yang efektif
 JAWAB : OK

Chemiosmosis (Gambar 3) digunakan untuk menghasilkan 90 persen ATP yang dibuat selama katabolisme glukosa aerobik; itu juga metode yang digunakan dalam reaksi cahaya fotosintesis untuk memanfaatkan energi sinar matahari dalam proses fotofosforilasi. Ingatlah bahwa produksi ATP menggunakan proses chemiosmosis dalam mitokondria disebut fosforilasi oksidatif. Hasil keseluruhan dari reaksi ini adalah produksi ATP dari energi elektron yang dihilangkan dari atom hidrogen. Atom-atom ini awalnya merupakan bagian dari molekul glukosa. Di ujung jalur, elektron digunakan untuk mengurangi molekul oksigen menjadi ion oksigen. Elektron ekstra pada oksigen menarik ion hidrogen (proton) dari media sekitarnya, dan air terbentuk.

PERTANYAAN LATIHAN

Gambar 3. Dalam fosforilasi oksidatif, gradien pH yang dibentuk oleh rantai transpor elektron digunakan oleh ATP sintase untuk membentuk ATP.

Sianida menghambat sitokrom c oksidase, komponen rantai transpor elektron. Jika keracunan sianida terjadi, apakah Anda berharap pH ruang antarmembran meningkat atau menurun? Apa efek sianida terhadap sintesis ATP?

Tunjukkan jawaban OK

Hasil ATP

Jumlah molekul ATP yang dihasilkan dari katabolisme glukosa bervariasi. Sebagai contoh, jumlah ion hidrogen yang dapat dipompakan oleh kompleks rantai transpor elektron melalui membran bervariasi antar spesies. Sumber varian lain berasal dari transfer elektron melintasi membran mitokondria. (NADH yang dihasilkan dari glikolisis tidak dapat dengan mudah memasuki mitokondria.) Dengan demikian, elektron diambil di bagian dalam mitokondria oleh NAD ⁺ atau FAD ⁺ . Seperti yang telah Anda pelajari sebelumnya, molekul FAD ^{+ ini} dapat mengangkut lebih sedikit ion; akibatnya, lebih sedikit molekul ATP dihasilkan ketika FAD ⁺ bertindak sebagai pembawa. NAD ⁺ digunakan sebagai transporter elektron di hati dan FAD ⁺ bertindak di otak.

Faktor lain yang mempengaruhi hasil molekul ATP yang dihasilkan dari glukosa adalah kenyataan bahwa senyawa antara dalam jalur ini digunakan untuk tujuan lain. Katabolisme glukosa terhubung dengan jalur yang membangun atau memecah semua senyawa biokimia lain dalam sel, dan hasilnya agak berantakan daripada situasi ideal yang dijelaskan sejauh ini. Sebagai contoh, gula selain glukosa dimasukkan ke dalam jalur glikolitik untuk ekstraksi energi. Selain itu, gula lima karbon yang membentuk asam nukleat dibuat dari zat antara dalam glikolisis. Asam amino tertentu yang tidak penting dapat dibuat dari zat antara glikolisis dan siklus asam sitrat. Lipid, seperti kolesterol dan trigliserida, juga dibuat dari zat antara dalam jalur ini, dan asam amino dan trigliserida dipecah untuk energi melalui jalur ini.

DALAM RINGKASAN: RANTAI TRANSPORT ELEKTRON

Rantai transpor elektron adalah bagian dari respirasi aerobik yang menggunakan oksigen bebas sebagai akseptor elektron terakhir dari elektron yang dikeluarkan dari senyawa antara dalam katabolisme glukosa. Rantai transpor elektron terdiri dari empat kompleks multiprotein besar yang tertanam dalam membran mitokondria bagian dalam dan dua pembawa elektron kecil yang dapat difusi yang mengangkut elektron di antaranya. Elektron dilewatkan melalui serangkaian reaksi redoks, dengan sejumlah kecil energi bebas yang digunakan pada tiga titik untuk mengangkut ion hidrogen melintasi membran. Proses ini berkontribusi pada gradien yang digunakan dalam chemiosmosis. Elektron yang melewati rantai transpor elektron secara bertahap kehilangan energi, elektron berenergi tinggi disumbangkan ke rantai oleh NADH atau FADH ₂selesaikan rantai, karena elektron berenergi rendah mengurangi molekul oksigen dan membentuk air. Tingkat energi bebas elektron turun dari sekitar 60 kkal / mol dalam NADH atau 45 kkal / mol dalam FADH ₂ hingga sekitar 0 kkal / mol dalam air. Produk akhir dari rantai transpor elektron adalah air dan ATP. Sejumlah senyawa antara dari siklus asam sitrat dapat dialihkan ke dalam anabolisme molekul biokimia lainnya, seperti asam amino, gula, dan lipid yang tidak penting. Molekul yang sama ini dapat berfungsi sebagai sumber energi untuk jalur glukosa

CATATAN

Sistem Transportasi Elektron

• Sistem transpor elektron terjadi pada krista mitokondria, di mana serangkaian sitokrom (enzim) dan koenzim ada. 
• Sitokrom dan koenzim ini bertindak sebagai molekul pembawa dan molekul transfer. 
• Mereka menerima elektron berenergi tinggi dan meneruskan elektron ke molekul berikutnya dalam sistem. 
• Di lokasi pemompaan proton utama, energi elektron mengangkut proton melintasi membran ke kompartemen luar mitokondria.

Setiap molekul NADH sangat energik, yang menyumbang transfer enam proton ke kompartemen luar mitokondria. 

• Setiap molekul FADH ₂ bertanggung jawab atas transfer empat proton. 
• Aliran elektron mirip dengan yang terjadi dalam fotosintesis. 
• Elektron berpindah dari NAD ke FAD, ke sitokrom dan koenzim lainnya, dan akhirnya mereka kehilangan banyak energi. 
• Dalam respirasi sel, akseptor elektron terakhir adalah atom oksigen. 
• Dalam kondisi energi-habisnya, elektron-elektron bersatu dengan atom oksigen. 
• Kombinasi elektron-oksigen kemudian bereaksi dengan dua ion hidrogen (proton) untuk membentuk molekul air (H ₂ O).

Peran oksigen dalam respirasi sel sangat besar. Sebagai akseptor elektron terakhir, ia bertanggung jawab untuk mengeluarkan elektron dari sistem transpor elektron.

• Jika oksigen tidak tersedia, elektron tidak dapat dilewatkan di antara koenzim, energi dalam elektron tidak dapat dilepaskan, pompa proton tidak dapat dibangun, dan ATP tidak dapat diproduksi. 
• Pada manusia, pernapasan adalah proses penting yang membawa oksigen ke tubuh untuk pengiriman ke sel untuk berpartisipasi dalam respirasi sel.