Asal protein dan RNA dari mitokondria, memerlukan koordinasi dari inti sel dan dari mitokondria sendiri
- Protein yang diimpor ini terutama protein ribosomal, aminoacyl-tRNA synthase, DNA polimerase, RNA polimerase, dan enzim yang terlibat dalam pemrosesan dan modifikasi dari RNA.
- Untuk mendatangkan protein ini ternyata tidak mudah dan menyulitkan menjawab pertanyaan kenapa mitokondria memiliki DNA tersendiri.
DNA Mitokondria Manusia
- Adapun DNA dari mitokondria manusia bentuk sirkuler yang terdiri dari 16.569 nukleotida.
- Sebenarnya dibandingkan dengan besarnya DNA makhluk hidup lain, DNA mitokondria manusia termasuk berukuran kecil.
Genom mitokondria manusia
Perbandingan genom DNA mitokondria manusia dengan beberapa makhluk lain
Terdapat beberapa sifat unik dari DNA mitokondria manusia dibandingkan DNA di inti sel, kloroplas, ataupun genom bakter, sebagai berikut:
- Paket gen yang padat.
- Tidak seperti genom di inti sel, setiap nukleotida di mitokondria manusia dikodekan dan masuk dalam sekuens gen baik untuk protein maupun satu dari rRNA atau tRNA.
- Dikarenakan posisi yang padat satu sama lain, hanya sedikit ruang yang dapat digunakan untuk regulasi sekuens DNA
Penggunaan kodon yang relatif relaks.
- Biasanya terdapat 30 atau lebih tRNA untuk asam amino yang spesifik namun di mitokondria hanya ada 22 tRNA yang dibutuhkan dalam sintesis protein.
- Oleh sebab itu di mitokondria, pasangan kodon-antikodon tidak seperti di inti sel.
Variasi kode genetik. - Di mitokondria terdapat kode genetik yang sedikit berbeda.
- Empat dari 64 kodon memiliki arti yang berbeda dibandingkan pada DNA di inti sel.
NADH dan FADH2 Sebagai Molekul Sumber Elektron Berenergi Tinggi
NADH dan FADH2 yang dihasilkan oleh glikolisis dan siklus Krebs merupakan molekul sumber elektron berenergi tinggi. Elektron berenergi tinggi kemudian akan ditransfer ke membran dalam mitokondria untuk dipanen energinya dan akhirnya menghasilkan ATP. NADH dan FADH2 yang kehilangan elektron berenergi tinggi akan berubah menjadi NADH+ dan FAD yang kemudian digunakan kembali di glikolisis dan siklus Krebs untuk kembali menjadi NADH dan FADH2.
Cara NADH membawa dan memberikan elektron berenergi tinggi
Setelah elektron berenergi tinggi dipindahkan ke membran dalam mitokondria, maka energi pada elektron ini akan diambil dan dimanfaatkan untuk memompa ion hidrogen keluar dari matriks. Ion hidrogen ini kemudian akan dialirkan kembali ke dalam matriks sambil diubah menjadi ATP.
Perubahan energi potensial redoks elektron menjadi energi bebas setiap terjadi perpindahan elektron dalam rantai transpor elektron
Rangkaian Proses Rantai Transpor Elektron
- Rantai transpor elektron melepas begitu banyak energi.
- Energi ini didapat dari proses reaksi redoks dimana secara agregat terjadi perpindahan dari elektron dari molekul dengan affinitas elektron lemah yaitu NADH sampai ke oksigen yang merupakan molekul dengan affinitias elektron tinggi.
- Secara umum dalam proses ini setiap perpindahan elektron melepas energi bebas (ΔG°) sebesar -26,2 kkal/mol (110 kJ/mol).
- Besarnya energi ini tidak dilepas langsung melalui satu proses saja.
- Apabila hal ini terjadi hanya dengan satu langkah, maka proses yang terjadi akan seperti ledakan dan semua energi yang dilepas akan berupa panas.
- Hal ini tentu tidak menguntungkan dan malah akan sangat berbahaya.
- Oleh sebab itu, reaksi pelepasan energi ini dilakukan dengan proses bertahap sehingga dinamakan rantai transpor elektron.
Mari kita bahas secara lebih detil mengenai tahapan-tahapan reaksi transpor elektron ini.
Molekul Karier Elektron dalam Rantai Pernapasan
- Dalam proses rantai elektron, elektron dibawa oleh molekul yang dinamakan karier elektron.
- Salah satu kelompik karier elektron ini berupa molekul yang bersifat dapat menyerap cahaya dan berubah warnanya ketika mengalami reduksi atau oksidasi.
- Oleh karena sifatnya ini, maka molekul karier elektron tersebut diberi nama sitokrom.
Dari penelitian, ternyata molekul sitokrom ini memiliki banyak jenis. - Setidaknya ada tiga kelompol sitokrom yaitu sitokrom a, b, dan c.
- Dalam setiap sel dapat memiliki lebih dari satu jenis sitokrom.
- Adapun struktur dari sitokrom ini berupa protein yang berikatan dengan grup heme yang memiliki ion besi di tengahnya.
- Ion besi di grup heme ini dapat berubah dari bentuk ferri (Fe3+) ke bentuk ferro (Fe2+) saat menerima elektron.
- Grup heme sendiri berupa cincin forfirin yang mengelilingi atom ion besi.
- Besi diikat dalam cincin forfirin ini oleh empat atom hidrogen membentuk empat sudur segi empat.
Struktur heme pada sitokrom.
Selain sitokrom, molekul lain dengan inti besi sulfat juga berfungsi sebagai karier elektron dalam rantai oksidasi pernapasan.
Sistem karier elektron dengan inti besi sulfat.
- (A ) Inti dengan tipe 2Fe2S.
- (B) Inti dengan tipe 4Fe4S.
- Walaupun memiliki banyak atom besi, namun setiap inti hanya bisa membawa satu elektron.
- Pada rantai pernapasan, terdapat setidaknya tujuh molekul karier elektron dengan inti besi-sulfat.
- Quinone (nama lain ubiquinone atau koenzim-Q) adalah molekul non protein dan merupakan bentuk paling sederhana dari karier elektron.
- Molekul ini merupakan molekul hidrofobik kecil yang bisa bergerak bebas di tengah lapisan membran dalam lipid bilayer dari mitokondria.
- Quinone dapat mengambil atau memberi satu atau dua elektron dan dapat disertai mengambil satu proton untuk setiap elektron yang dibawanya.
Struktur molekul quinone.
Pada rantai pernapasan quinone mengambil satu proton dari lingkungan air disekitarnya untuk setiap elektron yang diterima.
- Molekul ini dapat membawa satu atau dua elektron.
- Ketika ubiquinone melepas elektron, ion hidrogen juga dilepas.
Rantai Transpor Elektron Melibatkan Tiga Kompleks Enzim yang Tertanam di Dalam Membran Dalam Mitokondria
Rantai transpor elektron melibatkan tiga kompleks besar dari enzim. Kompleks enzim ini tertanam di membran dalam mitokondria dan terlibat dalam perpindahan elektron dari NADH hingga akhirnya sampai ke oksigen.
Skema perpindahan elektron dan tiga komplek enzim dalam rantai transpor elektron.
Selain memindahkan elektron, ketiga kompleks enzim ini juga memiliki kemampuan memompa proton. Di membran dalam mitokondria, tiga kompleks enzim ini berorientasi secara asimetris dan memompa ion hidrogen dari matriks ke ruangan intermembran mitokondria. Berikut adalah keterangan mengenai ketiga kompleks enzim tersebut:
Kompleks NADH hidrogenase (secara umum dikenal sebagai kompleks I atau NADH-CoQ reductase complex). Kompleks ini merupakan kompleks terbesar yang mengandung lebih dari 40 rantai polipeptida. Kompleks ini menerima elektron dari NADH dan memindahkannya ke ubiquinone melalui flavin dan setidaknya tujuh inti besi-sulfat. Ubiquinone kemudian mengirimkan elektron ini ke kompleks yang kedua dari rantai transpor elektron yaitu kompleks sitokrom b-c1.
Kompleks sitokrom b-c1 (dikenal sebagai kompleks III atau CoQH2—cytochrome c reductase complex). Kompleks ini mengandung setidaknya 11 rantai polipeptida dan berfungsi sebagai sebuah dimer. Tiap monomer mengandung tiga heme yang terikat ke sitokrom dan protein besi-sulfat. Kompleks ini menerima elektron dari ubiquinonen dan menyerangkannya ke sitokrom c yang membawa elektron ke kompleks sitokrom oksidase.
Kompleks sitokrom oksidase (kompleks IV atau cytochrome c oxidase complex), berfungsi juga sebagai dimer dengan setiap monomer memiliki 13 rantai polipeptida, termasuk dua sitokrom dan dua atom tembaga. Kompleks ini menerima elektron satu per satu dari sitokrom c dan kemudian menyerahkan elektron tersebut, empat elektron sekaligus ke atom oksigen.
Reaksi empat elektron dengan oksigen pada kompleks sitokrom oksidase
Sitokrom, inti besi-sulfat, dan atom tembaga hanya dapat menerima satu elektron tiap waktu namun NADH mendonasikan dua elektron dan tiap oksigen menerima empat elektron sekaligus. Oleh sebab itu terdapat sistem yang menampung elektrn pada rantai transpor elektron ini yang salah satu sistem tersebut adala sitokrom oksidase.
Struktur sitokrom oksidase. (A) Struktur molekul kompleks enzim secara keseluruhan (B) Karier elektron berada di subunit I dan II sesuai indikasi warna
Succinate-CoQ Reductase Complex
Pada siklus Krebs tahap 6 terjadi reaksi perubahan oksidasi suksinat menjadi fumarat dengan mengghasilkan FADH2. Sebenarnya enzim yang memperantarai reaksi ini merupakan komponen dari rantai transpor elektron. Enzim ini berupa kompleks II dari rantai transpor elektron atau succinate-CoQ reductase complex. Perhatikan bagan di bawah ini:
Kompleks enzim rantai transpor elektron termasuk kompleks II, succinate-CoQ reductase complex. Modifikasi dari “Oxidative phosphorylation: Figure 1“, oleh OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).
Perbedaan dari kompleks I adalah bahwa kompleks II menerima elektron berenergi tinggi dari FADH2 dan kompleks Ii tidak memiliki sifat pompa proton. Oleh sebab itu, proses penerimaan elektron berenergi tinggi dari FADH2 menghasilkan lebih sedikit ATP dibandingkan dari NADH.
Perbandingan rantai transpor elekron antara dari kompleks I dan kompleks II. Perhatikan bahwa kompleks II tidak memiliki aktivitas pompa proton.
Electron Tunneling pada Rantai Transpor Elektron
Salah satu fenomena mekanika atau fisika kuantum berupa electron tunneling pada sel dapat diobservasi pada rantai transpor elektron. Hal ini terjadi saat terjadi perpindahan elektron antara karier elektron dengan kompleks enzim.
Peristiwa perpindahan elektron ini terjadi secara kolisi atau tumbukan secara acak atau random. Pada perhitungan, dalam situasi ini terjadi tumbukan dan perpindahan elektron dalam setia 5-20 milidetik.
Hal unik dalam perpindahan elektron ini bahwa tidak hanya terjadi saat tumbukan namun dapat pula dengan aproksimasi atau kedekatan dua karier dengan celah sampai sejauh 2 nm. Bagaimana elektron dapat melompati celah ini? Jawabannya adalah dengan mekanisme quantum tunneling.
Uncoupler pada Rantai Transpor Elektron
Dalam kondisi tertentu, dapat terjadi proses rantai transpor elektron tanpa menghasilkan ATP. Peristiwa ini dinamakan uncoupling dan terjadi dengan adanya zat yang dinamakan uncoupler. Uncoupler ini dapat berupa zat sintetis seperti dinitofenol dan dapat pula berupa uncoupler alami.
Contoh peristiwa ini adalah pada jaringan lemak coklat. Jaringan ini berfungsi menjaga suhu dengan membakar lemak dan berperan penting dalam menjaga suhu terutama pada bayi tanpa perlu proses produksi panas dari menggigil.
Kita ketahui salah satu produksi panas tubuh adalah dari proses menggigil. Namun bayi belum mampu melakukan ini sehingga memerlukan proses lain. Proses produksi panas ini berlangsung di jaringan lemak coklat.
Dengan proses uncoupling, rantai transpor elektron dapat terjadi secara cepat tanpa memproduksi ATP dan gradien elektrokimia. Proses ini memungkinkan mitokondria membakar sebanyak mungkin lemak dan memproduksi panas bagi tubuh. Adapun uncoupler pada jaringan ini berupa protein yang dapat menghilangkan gradien elektrokimia.
Inhibisi Rantai Transpor Elektron
Salah satu mekanisme racun adalah menghambat rantai transpor elektron. Salah satunya adalah sianida yang menghambat kerja kompleks sitoktom okasidae dari rantai transpor elektron. Berikut adalah beberapa zat yang dapat menghambat rantai transpor elektron:
Inhibitor rantai transpor elekton. Complex I, NADH: ubiquinone oxidoreductase; complex II, succinate: ubiquinone oxidoreductase; complex III, ubiquinol: ferricytochrome c oxidoreductase; complex IV, ferrocytochrome c: oxygen oxidoreductase
Kemiosmosis
Akibat adanya rantai transpor elektron, tercipta perbedaan konsenterasi ion hidrogen antara matriks dengan ruangan intermembran mitokondria. Perbedaan konsensterasi ini menciptakan gradien elektrokimia proton yang terdiri dua komponen. Yang pertama adalah gradien atau perbedaan energi potensial listrik membran (ΔV) dan yang kedua adalah gradien pH (ΔpH). Kedua jenis gradien ini, terutama ΔV menyumbangkan gaya utama yang nanti akan digunakan oleh mitokondria dalam memproduksi ATP pada proses kemiosmosis.
Dua komponen gradien elektrokimia di mitokondria. Gradien potensial membran memberi proporsi gaya lebih besar dibandingkan gradien pH
Gradien Elektrokimia Proton Mendorong Sintesis ATP
Perbedaan gradien elektrokimia yang disebutkan di atas akan menjadi sumber energi sintesis ATP. Konversi energi elektrokimia menjadi ATP ini dilakukan oleh enzim di membran dalam mitokondria yang bernama ATP sintase. Pada dasarnya enzim ini membentuk terowongan atau kanal ion hidrogen di membran dalam mitokondria. Akibat gradien elektrokimia tadi, maka ion hidrogen akan melintas kanal melewati ATP-sintase. Ketika melintas maka energi kinetik dari ion hidrogen akan dipakai untuk menggabungkan ADP dengan Pi membentuk ATP.
Gradien elektrokimia yang dihasilkan rantai transpor elektron digunakan dalam sintesis ATP
Struktur Kompleks Enzim ATP-Sintase
Di bawah adalah gambar struktur dari enzim ATP-sintase atau disebut juga F0F1 ATP-sintase. Enzim ini berupa kompleks multiunit protein dengan berat 500.000 dalton dan bekerja dengan mekanisme katalis rotorik. Bagian besar yang menyerupai lolipop terdiri dari enam subunit dan menonjol ke matriks mitokondria.
Bagan struktur ATP-sintase
Terdapat bagian yang berelongasi ke kepala lolipop dengan memegang kepala lolipop dan menyambungkannya ke protein transmembran membentuk stator di dalam membran. “Stator” di membran ini berkontak dengan “rotor” di dalam membran. Bagian rotor ini terbentuk dari 10-14 subunit protein transmembran yang identik.
Saat proton melewati saluran atau kanal sempit di tempat kontak antara rotor dan stator, pergerakan ini akan menyebabkan cincin rotor berputar. Perputaran ini juga menyebabkan tangkai yang terhubung ke rotor juga berputar sehingga kepala lolipop juga akan berputar. Akibatnya, terjadi perubahan gradien elektrokimia menjadi energi mekanik di enzim.
Tiga dari enam subunit di bagian kepala lolipop mengandung situs ikat terhadap ADP dan fosfat inorganik. Subunit ini bergerak untuk membentuk ATP dengan memanfaatkan energi kinetik menjadi energi kimia dengan serangkaian perubahan bentuk konformasi saat terjadi pergerakan bagian lolipop dari ATP-sintase. Dengan cara ini, ATP-sintase dapat memproduksi 100 ATP tiap detik dengan produksi 3 molekul ATP tiap satu putaran rotor ATP-sintase. Diperkirakan dibutuhkan 3 – 5 ion hidrogen untuk menghasilkan satu ATP.
ATP Sintase dapat Berdungsi Terbalik Memompa H+ dengan Energi dari Hidrolisis ATP
ATP sintase bersifat bolak balik. Artinya selain memproduksi ATP dari pergerakan H+, enzim dapat berfungsi sebaliknya memompa H+ dengan memanfaatkan energi dari hidrolisis ATP menjadi ADP. Istilah dari sifat yang bolak balik ini dinamakan reversible coupling device.
Sifat reversibel ATP-sintase. (A) ATP-sintase dalam proses sintesis ATP. (B) ATP-sintase menghidrolisis ATP untuk memompa ion hidrogen.
Selain di manusia, ATP-sintase juga dimiliki banyak makhluk hidup lain seperti bakteri. Pada bakeri sifat enzim sebagai reversible coupling device dimanfaatkan dalam transisi antara metabolisme aerob ke anaerob.
Hasil ATP dari Rantai Transpor Elektron
Seperti dijelaskan di atas, bahwa produksi ATP tergantung dari banyaknya ion hidrogen yang dialirkan.
Dari rantai transpor elektron, NADH akan mengeluarkan total 10 ion hidrogen sedangkan FADH2 menghasilkan 6 ion hidrogen.
Apabila kita melakukan perhitungan total dari glikolisis, berikut rangkumannya untuk setiap satu molekul glukosa:
Reaksi Hasil NADH dan FADH2 Jumlah proton yang dipompakan
Glikolisis 2 NADH 20
Siklus Krebs 8 NADH 80
2 FADH2 12
Total 112
Dari sekitar 112 proton, maka kurang lebih akan menghasilkan 22 – 37 ATP (3-5 proton per ATP). Oleh sebab itu, total ATP dari satu glukosa bisa menghasilkan 26 – 41 ATP (tambahan 2 ATP dari glikolisisi dan 2 GTP dari siklus Krebs).
Buku Referensi Kedokteran
Berikut ini adalah beberapa buku teks yang dapat dipilih sebagai bahan pembelajaran khususnya di bidang ilmu dasar kedokteran dan penyakit dalam. Format dapat berupa buku teks fisik maupun e-book (aplikasi Kindle Google Play Store atau Apple Apps Store). Adapun yang sering saya pakai misalnya:
Buku teks ilmu penyakit dalam atau internal medicine:
- Harrison’s principles of internal medicine
- Goldman-Cecil medicine
- Pocket medicine: The Massachusetts General Hospital handbook of internal medicine
- dan lain sebagainya
- Buku teks kedokteran dasar:
- Ganong’s review of medical physiology
- Harper’s illustrated biochemistry
- Molecular biology of the cell
- Atlas of human anatomy (Netter basic science)
- dan lain sebagainya
Perlu saya informasikan apabila Anda membeli e-book atau bentuk fisik buku tersebut lewat tautan atau pencarian di laman ini, maka Caiherang akan mendapat komisi dari pembelian tersebut. Dana yang diperoleh akan dipakai untuk pemeliharaan rutin seperti server, plug-in, design software, dan keperluan lainnya baik untu keperluan rutin maupun perbaikan dari website Caiherang ini.
Kesimpulan
Fosforilisasi oksidatif menyumbang sebagian besar energi berupa ATP dari metabolisme aerob. Proses ini terbagi dua yaitu rantai transpor elektron yang menghasilkan gradien elektrokimia yang kemudian dikonversi menjadi ATP oleh kemiosmosis oleh ATP sintase. Proses ini memiliki banyak kesamaan dengan fotosintesis dan bentuk mitokondria memegang peranan penting dalam proses fosforilisasi oksidatif ini.
Siklus Krebs: Siklus Karbon Penghasil Energi di Mitokondria
Glikolisis Jalur Embden-Meyerhof-Parnas
Mekanisme Regulasi Sel: Fosforilasi dan Proteolisis
Referensi
- Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular biology of the cell. 5th ed. New York: Garland Science; 2008. 263–328 p.
- Frey TG, Mannella CA. The internal structure of mitochondria. Trends Biochem Sci. 2000 Jul;25(7):319–24.
- Guo R, Gu J, Zong S, Wu M, Yang M. Structure and mechanism of mitochondrial electron transport chain. Biomed J. 2018;41(1):9–20.
- Horvath SE, Daum G. Lipids of mitochondria. Prog Lipid Res. 2013;52(4):590–614.
- Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. Section 16.2, Electron Transport and Oxidative Phosphorylation.
