fosforisasi oksidatif 1
DESCRIPTION
edukasiTRANSCRIPT
Fosforilasi oksidatifDari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Rantai transpor elektron dalam mitokondria merupakan tempat terjadinya fosforilasi oksidatif pada eukariota. NADH dan
suksinat yang dihasilkan padasiklus asam sitrat dioksidasi, melepaskan energi untuk digunakan oleh ATP sintase.
Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolismedengan penggunaan energi yang dilepaskan
oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan ATP, dan mereduksi gasoksigen menjadi air.[1]
Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir
semua organisme menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP, oleh karena efisiensi proses
mendapatkan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti glikolisisanaerobik.
Menurut teori kemiosmotik yang dicetuskan oleh Peter Mitchell, energi yang dilepaskan
dari reaksi oksidasi padasubstrat pendonor elektron, baik pada respirasi aerobik maupun anaerobik,
perlahan akan disimpan dalam bentukpotensial elektrokemis sepanjang garis tepi membran tempat
terjadinya reaksi tersebut, yang kemudian dapat digunakan oleh ATP sintase untuk menginduksi
reaksi fosforilasiterhadap molekul adenosina difosfat dengan molekul Pi.[2]
Elektron yang melekat pada molekul sisi dalam kompleks IV rantai transpor elektron akan digunakan oleh
kompleks V untuk menarik ion H+ dari sitoplasma menuju membran mitokondria sisi luar, disebut kopling
kemiosmotik,[3] yang menyebabkan kemiosmosis, yaitu difusi ion H + melalui ATP sintase ke dalam
mitokondria yang berlawanan dengan arah gradien pH, dari area dengan energi potensial elektrokimiawi
lebih rendah menuju matriks dengan energi potensial lebih tinggi. Proses kopling kemiosmotik juga
berpengaruh pada kombinasi gradien pH dan potensial listrik di sepanjang membran yang disebut gaya
gerak proton.
Dari teori ini, keseluruhan reaksi kemudian disebut fosforilasi oksidatif.
Awal lintasan dimulai dari elektron yang dihasilkan oleh siklus asam sitrat yang ditransfer ke senyawa:
NAD + yang berada di dalam matriks mitokondria. Setelah menerima elektron, NAD+ akan bereaksi
menjadi NADH dan ion H+, kemudian mendonorkan elektronnya ke rantai transpor elektron kompleks I.
[4]
dan FAD yang berada di dalam rantai transpor elektron kompleks II.[5] FAD akan menerima dua
elektron, kemudian bereaksi menjadi FADH2 melalui reaksi redoks.
Walaupun fosforilasi oksidatif adalah bagian vital metabolisme, ia menghasilkan spesi oksigen
reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida pada kompleks I.[6] Hal ini dapat mengakibatkan
pembentukan radikal bebas, merusak sel tubuh, dan kemungkinan juga menyebabkan penuaan. Enzim-
enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga merupakan target dari banyak obat dan racunyang
dapat menghambat aktivitas enzim.
Daftar isi
[sembunyikan]
1 Tinjauan transfer energi melalui kemiosmosis
2 Molekul pemindah elektron dan proton
3 Rantai transpor elektron eukariotik
o 3.1 Kompleks I
o 3.2 Kompleks II
3.2.1 Flavoprotein transfer elektron-Q oksidoreduktase
o 3.3 Kompleks III
o 3.4 Kompleks IV
o 3.5 Reduktase dan oksidase alternatif
o 3.6 Pengorganisasian kompleks-kompleks
4 Rantai transpor elektron prokariotik
5 ATP sintase (kompleks V)
6 Spesi oksigen reaktif
7 Inhibitor
8 Referensi
9 Bacaan lebih lanjut
10 Pranala luar
Tinjauan transfer energi melalui kemiosmosis[sunting]
Informasi lebih lanjut: [[Kemiosmosis dan Bioenergetika]]
Fosforilasi oksidatif bekerja dengan cara menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk
mendorong reaksi yang memerlukan energi. Kedua set reaksi ini dikatakan bergandengan. Hal ini berarti
bahwa salah satu reaksi tidak dapat berjalan tanpa reaksi lainnya. Alur elektron melalui rantai transpor
elektron adalah proses eksergonik, yakni melepaskan energi, manakala sintesis ATP adalah
proses endergonik, yakni memerlukan energi. Baik rantai transpor elektron dan ATP sintase terdapat pada
membran, dan energi ditransfer dari rantai transpor elektron ke ATP sintase melalui pergerakan proton
melewati membran ini. Proses ini disebut sebagai kemiosmosis.[7] Dalam prakteknya, ini mirip dengan
sebuah sirkuit listrik, dengan arus proton didorong dari sisi negatif membran ke sisi positif oleh enzim
pemompa proton yang ada pada rantai transpor elektron. Enzim ini seperti baterai. Pergerakan proton
menciptakan gradien elektrokimiawi di sepanjang membran, yang sering disebut gaya gerak proton.
Gradien ini mempunyai dua komponen:[8] perbedaan pada konsentrasi proton (gradien pH) dan perbedaan
pada potensi listrik. Energi tersimpan dalam bentuk perbedaan potensi listrik dalam mitokondria, dan juga
sebagai gradien pH dalam kloroplas.[9]
ATP sintase juga dapat memompa ion H+ keluar dari dalam matriks, apabila terjadi hidrolisis ATP pada
kutub kompleksnya.[10] Pada kasus hipertiroidisme pada hepatosit model tikus, juga ditemukan pemompaan
ion H+ dari dalam matriks di luar mekanisme rantai transpor elektron,[11] hal ini ditengarai terjadi oleh sebab
peran hormon T3 [12] yang dapat menyisip pada membran mitokondria sebelah dalam sebagai pompa ion.[13]
Enzim ini seperti motor listrik, yang menggunakan gaya gerak proton untuk mendorong rotasi strukturnya
dan menggunakan pergerakan ini untuk mensintesis ATP.
Energi yang dilepaskan oleh fosforilasi oksidatif ini cukup tinggi dibandingkan dengan energi yang
dilepaskan oleh fermentasi anaerobik. Glikolisis hanya menghasilkan 2 molekul ATP, sedangkan pada
fosforilasi oksidatif 10 molekul NADH dengan 2 molekul suksinat yang dibentuk dari konversi satu
molekul glukosa menjadi karbon dioksida dan air, dihasilkan 30 sampai dengan 36 molekul ATP.
[14] Rendemen ATP ini sebenarnya merupakan nilai teoritis maksimum; pada prakteknya, ATP yang
dihasilkan lebih rendah dari nilai tersebut.[15]
Molekul pemindah elektron dan proton[sunting]
Informasi lebih lanjut: [[Koenzim dan Kofaktor]]
Reduksi koenzim Q dari bentuk ubikuinon (Q) menjadi ubikuinol yang tereduksi (QH2).
Rantai transpor elektron membawa baik proton maupun elektron, mengangkut proton dari donor ke
akseptor, dan mengangkut proton melawati membran. Proses ini menggunakan molekul yang larut dan
terikat pada molekul transfer. Pada mitokondria, elektron ditransfer dalam ruang antarmembran
menggunakan protein transfer elektronsitokrom c yang larut dalam air.[16] Ia hanya mengangkut elektron,
dan elektron ini ditransfer menggunakan reduksi dan oksidasi atom besi yang terikat pada protein pada
gugus heme strukturnya. Sitokrom c juga ditemukan pada beberapa bakteri, di mana ia berlokasi di
dalam ruang periplasma.[17]
Dalam membran dalam mitokondria, koenzim Q10 pembawa elektron yang larut dalamlipid membawa baik
elektron maupun proton menggunakan siklus redoks.[18] Molekulbenzokuinon yang kecil ini
sangat hidrofobik, sehingga ia akan berdifusi dengan bebas ke dalam membran. Ketika Q menerima dua
elektron dan dua proton, ia menjadi bentuk tereduksi ubikuinol (QH2); ketika QH2 melepaskan dua elektron
dan dua proton, ia teroksidasi kembali menjadi bentuk ubikuinon (Q). Akibatnya, jika dua enzim disusun
sedemikiannya Q direduksi pada satu sisi membran dan QH2 dioksidasi pada sisi lainnya, ubikuinon akan
menggandengkan reaksi ini dan mengulang alik proton melewati membran.[19] Beberapa rantai transpor
elektron bakteri menggunakan kuinon yang berbeda, seperti menakuinon, selain ubikuinon.[20]
Dalam protein, elektron ditransfer antar kofaktor flavin,[21][10] gugus besi-sulfur, dan sitokrom. Terdapat
beberapa jenis gugus besi-sulfur. Jenis paling sederhana yang ditemukan pada rantai transfer elektron
terdiri dari dua atom besi yang dihubungkan oleh dua atomsulfur; ini disebut sebagai gugus [2Fe–2S].
Jenis kedua, disebut [4Fe–4S], mengandung sebua kubus empat atom besi dan empat atom sulfur. Tiap-
tiap atom pada gugus ini berkoordinasi dengan asam amino, biasanya koordinasi antara atom sulfur
dengan sisteina. Kofaktor ion logam menjalani reaksi redoks tanpa mengikat ataupun melepaskan proton,
sehingga pada rantai transpor elektron ia hanya berfungsi sebagai pengangkut elektron. Elektron bergerak
cukup jauh melalui protein-protein ini dengan cara meloncat disekitar rantai kofaktor ini.[22] Hal ini terjadi
melalui penerowongan kuantum, yang terjadi dengan cepat pada jarak yang lebih kecil daripada
1,4×10−9 m.[23]
Rantai transpor elektron eukariotik[sunting]
Informasi lebih lanjut: [[Rantai transpor elektron dan Kemiosmosis]]
Banyak proses katabolik biokimia, seperti glikolisis, siklus asam sitrat, dan oksidasi beta,
menghasilkan koenzim NADH. Koenzim ini mengandung elektron yang memiliki potensial transfer yang
tinggi. Dengan kata lain, ia akan melepaskan energi yang sangat besar semasa oksidasi. Namun, sel tidak
akan melepaskan semua energi ini secara bersamaan karena akan menjadi reaksi yang tidak terkontrol.
Sebaliknya, elektron dilepaskan dari NADH dan dipindahkan ke oksigen melalui serangkaian enzim yang
akan melepaskan sejumlah kecil energi pada tiap-tiap enzim tersebut. Rangkaian enzim yang terdiri dari
kompleks I sampai dengan kompleks IV ini disebut sebagai rantai transpor elektron dan ditemukan dalam
membran dalam mitokondria. Suksinat juga dioksidasi oleh rantai transpor elektron, namun ia terlibat
dalam lintasan yang berbeda.
Pada eukariota, enzim-enzim pada sistem transpor ini menggunakan energi yang dilepaskan dari oksidasi
NADH untuk memompa proton melewati membran dalam mitokondria. Hal ini menyebabkan proton
terakumulasi pada ruang antarmembran dan menghasilkangradien elektrokimia di sepanjang membran.
Energi yang tersimpan sebagai energi potensial ini kemudian digunakan oleh ATP sintase untuk
menghasilkan ATP. Mitokondria terdapat pada hampir semua eukariota, dengan pengecualian pada
protozoa anaerobik sepertiTrichomonas vaginalis yang mereduksi proton menjadi hidrogen
menggunakan hidrogenosom.[24]
Enzim pernafasen dan substrat yang umum pada eukariota.
Sistem pernafasen Pasangan redoks Potensial tengah
(Volt)
NADH dehidrogenase NAD + / NADH −0.32[25]
Suksinat dehidrogenase FMN atau FAD / FMNH2 atau FADH2 −0.20[25]
Kompleks sitokrom bc1 Koenzime Q10ox / Koenzime Q10red +0.06[25]
Kompleks sitokrom bc1 Sitokrom box / Sitokrom bred +0.12[25]
Kompleks IV Sitokrom cox / Sitokrom cred +0.22[25]
Kompleks IV Sitokrom aox / Sitokrom ared +0.29[25]
Kompleks IV O2 / HO- +0.82[25]
Kondisi: pH = 7[25]
Pada dasarnya, terdapat dua mekanisme katalitik yang dilakukan tiap kompleks enzim agar transfer
elektron dapat menciptakan potensial membran, yaitu mekanisme iterasi redoks dan mekanisme
pemompaan ion H+.[2] Pada mekanisme iterasi redoks sendiri, reaksi reduksi akan mengikat ion H+,
sedangkan reaksi oksidasi akan melepaskannya. Pada respirasi anaerobik, mekanisme yang sederhana
ditunjukkan oleh format dehidrogenase dan nitrat reduktase yang terikat pada membran sel. Pada respirasi
aerobik, mekanisme yang terjadi adalah sebagai berikut,
Kompleks I[sunting]
Kompleks I atau NADH-Q oksidoreduktase. Matriks berada pada bagian bawah, sedangkan ruang antar membran
berada di bagian atas.
Kompleks I merupakan protein pertama pada rantai transpor elektron,[26] berupa kompleks enzim yang
disebut NADH-koenzim Q oksidoreduktase.
Pada hepatosit hewan sapi, kompleks I adalah enzim raksasa dengan 46 sub-unit dan massa molekul
sekitar 1.000 kilodalton (kDa).[27]Hanya struktur enzim kompleks I dari bakteri yang diketahui secara
mendetail;[28] pada kebanyakan organisme, kompleks ini menyerupai sepatu but dengan "bola" yang besar
menyeruak keluar dari membran ke dalam mitokondria.[29][30] Gen yang mengkode protein ini terdapat pada
baik inti sel maupun genom mitokondria.
Reaksi redoks yang dikatalisis oleh enzim ini adalah oksidasi NADH, dan reduksi koenzim Q10 (diwakilkan
dengan Q):
Oksidasi NADH akan menghasilkan NAD + yang diperlukan untuk siklus asam sitrat dan oksidasi asam
lemak,
Reaksi oksidasi NADH di atas dikopling oleh reaksi deiodinasi hormon tiroksin dengan promoter
berupa peroksidase dan H2O2,[31]sedangkan reduksi Q akan mentranspor elektron ke kompleks
berikutnya hingga pada akhirnya digunakan untuk mereduksi oksigenmenjadi air.[32]
Awal mula reaksi terjadi ketika NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua
elektron. Elektron tersebut kemudian memasuki kompleks I via FMN, suatu gugus prostetik yang
melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya menjadi bentuk tereduksi,
FMNH2. Elektron kemudian ditransfer melalui rangkaian gugus besi-sulfur.[28] Kemudian elektron
ditransfer ke Q, mengubahnya menjadi QH2, dan menyebabkan 4 ion H+ terpompa keluar,
[33] menuju ke dalam sitoplasma, bukan ke dalam ruang antarmembran, oleh karena kompleks I
terikat oleh 3 lapisan membran mitokondria.[34] Pada sel prokariota Escherichia coli danKlebsiella
pneumoniae, kompleks I tidak meletupkan ion H+, melainkan ion Na + .[35]
Terdapat baik jenis gugus besi-sulfur [2Fe-2S] maupun [4Fe–4S] dalam kompleks I.
Kopling yang terjadi dengan siklus asam sitrat,
Kompleks II[sunting]
Kompleks II: Suksinat-Q oksidoreduktase.
Kompleks II merupakan kompleks enzim yang disebut suksinat kuinon
oksidoreduktase (EC 1.3.5.1) adalah titik masuk kedua pada rantai transpor elektron,
[36] yang terdiri dari kompleks enzim suksinat dehidrogenase aerobik [37] dan fumarat
reduktase anaerobik.[37][38][39]
Kompleks II adalah satu-satunya kompleks enzim yang merupakan bagian dari
kedualintasan metabolisme, siklus asam sitrat maupun respirasi selular pada rantai
transpor elektron, dan terdiri dari empat subunit protein dan mengantung sebuah
kofaktor flavin adenina dinukleotida yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan
sebuah gugusheme yang tidak berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q,
namun dipercayai penting dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif.[40][41] Enzim
ini mereduksifumarat menjadi suksinat dan meoksidasi hidrokuinon. Karena reaksi ini
melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor
proton melewati membran dan tidak berkontribusi terhadap gradien proton.
Reaksi redoks pada modus anaerobik oleh fumarat reduktase :
oksidasi
reduksi
Kopling yang terjadi dengan siklus asam sitrat,
Pada beberapa eukariota seperti cacing parasit Ascaris suum, terdapat
enzim yang mirip dengan kompleks II, yaitu fumarat reduktase
(menakuinol:fumarat oksidoreduktase, atau QFR). Kerja enzim ini terbalik
dengan kerja kompleks II, yaitu mengoksidasi ubikuinol dan mereduksi
fumarat. Hal ini mengijinkan cacing ini bertahan hidup dalam lingkungan
anaerobik di usus besar dan menjalankan fosforilasi oksidatif anaerobik
dengan fumarat sebagai akseptor elektron.[42] Fungsi tak lazim kompleks II
lainnya dapat dilihat pada parasitmalaria Plasmodium falciparum. Pada
organisme ini, fungsi kompleks II yang terbalik sebagai oksidase berperan
penting dalam pemulihan ubikuinol, yang oleh parasit digunakan untuk
biosintesis pirimidina.[43]
Flavoprotein transfer elektron-Q oksidoreduktase[sunting]
Pada kompleks II terdapat kompleks enzim ETF-QO dengan tiga domain
pencerap, masing-masing mengikat FAD, kluster [4Fe-4S]1+,
2+ dan ubikuinon.[44]
ETF-QO mempercepat reaksi redoks:
reduksi senyawa Q-1 dengan elektron dari senyawa flavoprotein
ET yang dapat berasal dari 11 macam flavoprotein
dehidrogenaseyang terdapat di dalam matriks mitokondria,[45] Pada
lintasan alternatif, elektron dapat mengalir dari kluster 4Fe4S dan
dikatalitik oleh ETF-QO untuk mereduksi ubikuinon
menjadi ubikuinol dengan koenzim FAD.[44] Lintasan reaksi yang
terjadi:
reduksi
oksidasi kofaktor
oksidasi dengan substrat berupa asam lemak yang
disebut lintasan oksidasi ß, katabolisme beberapa asam
amino dan kolina,[46]kemudian mentransfer elektronnya ke dalam
kompleks II.[47]
Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dan enzim yang
berperan adalah asil-KoA dehidrogenase.[48][49]
Reaksi yang terjadi:
oksidasi
reduksi kofaktor
Pada tumbuhan, ETF-QO juga penting dalam respon metabolik
demi kelangsungan hidup tumbuhan pada periode lingkungan
gelap yang berkepanjangan yang tidak memungkinkan
terjadinya fotosintesis, sehingga terjadi simtoma hipoglisemia.
Kompleks III[sunting]
Dua langkah transfer elektron pada kompleks II:Q-sitokrom c
oksidoreduktase. Pada akhir tiap langkah, Q (berada pada bagian
atas gambar) meninggalkan enzim.
Kompleks III juga dikenal sebagai kompleks enzim UCCRyang
memiliki 11 berkas genetik UQCR.[50][51] 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 satusitokrom c1 dan dua sitokrom b.
[52] 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.
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.
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.[53] 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.[54]
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.
[10] 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.
[10]
Kompleks IV[sunting]
Kompleks IV: sitokrom c oksidase.
Kompleks IV adalah protein terakhir pada rantai transpor elektron
yang dikenal sebagai kompleks enzim COX.[55]
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 sitoplasma.[56]
Pada model hepatosit hewan sapi, ion
H+ dengan energi potensial elektrostatikberkisar antara 635meV,
[57] tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase[58]
[59] fosfolipid vesikel (COV) pada kedua fase oksidatif dan reduktif,
[60] setelah dikirimkan dari proton loading site (PLS), pada saat ion
H+ berikutnya tiba di PLS.[57][61]Mekanisme yang ditunjukkan oleh
peletupan ion H+ pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks.
[62][63][64] Peletupan ion H+ (bahasa Inggris: deprotonation) terjadi
bersamaan dengan perubahan gugus karboksil asam
aspartat yang berada pada permukaan intermembran
menjadi aspargina. [65]
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 adalah:[14]
Reduktase dan oksidase alternatif[sunting]
Enzim-enzim yang disebutkan di atas merupakan hasil kajian
pada hewan mamalia. Sebenarnya, banyak organisme eukariotik
lainnya yang memiliki rantai transpor elektron yang berbeda.
Sebagai contoh, tumbuhan memiliki NADH oksidase alternatif,
yang mengoksidasi NADH di sitosol daripada di matriks
mitokondria, dan ia akan memindahkan elektron ke kolam
ubikuinon.[66] Enzim-enzim ini tidak mentranspor proton, sehingga
ia mereduksi ubikuinon tanpa mengubah gradien elektronkimia
membran dalam.[67]
Contoh rantai transpor elektron divergen lainnya adalah oksidase
alternatif yang ditemukan pada tumbuh-tumbuhan, beberapa
spesiesfungi, protista, dan kemungkinan pula pada beberapa
hewan.[68][69] Enzim ini secara langsung mentransfer elektron dari
ubikuinol ke oksigen.[70]
Lintasan tranpor elektron yang dihasilkan oleh NADH dan
ubikuinon oksidase alternatif ini memiliki rendemen ATP yang
lebih rendah. Keuntungan dari lintasan yang lebih singkat ini
belumlah cukup jelas. Namun, oksidasi alternatif ini dihasilkan
sebagai respon terhadap berbagai tekanan seperti hawa
dingin, spesi oksigen reaktif, infeksi oleh patogen, dan faktor-
faktor lainnya yang menghambat rantai transpor elektron secara
penuh.[71][72] Lintasan alternatif ini oleh karenanya akan
meningkatkan resistansi organisme terhadap luka dengan
menurunkan stres oksidatif.[73]
Pengorganisasian kompleks-kompleks[sunting]
Model awal bagaimana rantai kompleks respiratori ini
terorganisasikan adalah bahwa kompleks-kompleks ini berdifusi
dengan bebas dan terbebas dari membran mitokondria.
[27] Namun, data-data terbaru mensugestikan bahwa kompleks-
kompleks ini kemungkinan membentuk struktur berorde tinggi
yang disebut superkompleks ataupun
"respirasom."[74] Berdasarkan model superkompleks ini, berbagai
jenis kompleks ini terdapat dalam bentuk sehimpunan enzim-
enzim yang berinteraksi dan terorganisasi.[75] Asosiasi ini
mengijinkan penyaluran substrat di antara berbagai kompleks
enzim, sehingga meningkatkan laju dan efisiensi transfer elektron.
[76]Dalam superkompleks mamalia, beberapa komponen kompleks
akan lebih banyak daripada yang lainnya, dengan beberapa data
mensugestikan rasio antara kompleks I/II/II/IV dan ATP sintase
kira-kira 1:1:3:7:4.[77] Walau demikian, perdebatan mengenai
hipotesis superkompleks ini masihlah belum berakhir, karena
beberapa data tampaknya tidak sesuai dengan model ini.[27][78]
Rantai transpor elektron prokariotik[sunting]
Informasi lebih lanjut: Metabolisme mikroba
Berbeda dengan banyaknya kemiripan dalam struktur dan fungsi
rantai transpor elektron pada
eukariota, bakteri dan arkaea memiliki banyak jenis enzim transfer
elektron yang sangat bervariasi. Enzim-enzim yang bervariasi ini
pula menggunakan senyawa kimia yang bervaruasi sebagai
substrat.[79] Walau demikian, terdapat kesamaan dengan rantai
transpor elektron eukarita, yaitu transpor elektron prokariotik juga
menggunakan energi yang dilepaskan dari oksidasi substrat untuk
memompa ion keluar masuk membran dan menghasilkan gradien
elektrokimia. Fosforilasi oksidatif bakteri, utamanya
bakteri Escherichia coli telah dipahami secara mendetail,
manakala pada arkaea, hal ini masih belum dipahami dengan
baik.[80]
Perbedaan utama antara fosforilasi eukariotik dengan fosforilasi
oksidatif prokariotik adalah bahwa bakteri dan arkaea
menggunakan banyak senyawa-senyawa yang berbeda untuk
menerima dan mendonor elektron. Hal ini sebenarnya
mengijinkan prokariota untuk hidup dan tumbuh dalam berbagai
jenis kondisi dan lingkungan.[81] Pada E. coli, sebagai contohnya,
fosforilasi oksidatif dapat didorong oleh sejumlah besar pasangan
reduktor dan oksidator (lihat tabel di bawah). Potensial titik tengah
suatu senyawa kimia mengukur seberapa banyak energi yang
dilepaskan ketika ia dioksidasi maupun direduksi, dengan
reduktor memiliki potensial negatif dan oksidator positif.
Enzim dan substrat pernafasen pada E. coli.[82]
Enzim pernafasen Pasangan redoks
Potensial titik tengah
(Volt)
Format dehidrogenase
Bikarbonat / Format −0,43
Hidrogenase Proton / Hidrogen −0,42
NADH dehidrogenase
NAD + / NADH −0,32
Gliserol-3-fosfat dehidrogenase
DHAP / Gly-3-P −0,19
Piruvat oksidase Asetat + Karbon
dioksida / Piruvat ?
Laktat dehidrogenase
Piruvat / Laktat −0,19
Asam D -amino dehidrogenase
2-oksoasam + amonia / Asam D -amino
?
Glukosa dehidrogenase
Glukonat / Glukosa −0,14
Suksinat dehidrogenase
Fumarat / Suksinat +0,03
Ubikuinol oksidase Oksigen / Air +0,82
Nitrat reduktase Nitrat / Nitrit +0,42
Nitrit reduktase Nitrit / Amonia +0,36
Dimetil sulfoksida reduktase
DMSO / DMS +0,16
Trimetilamina N - oksida reduktase
TMAO / TMA +0,13
Fumarat reduktase Fumarat / Suksinat +0,03
Sebagaimana yang ditunjukkan oleh tabel di atas, E. coli dapat
tumbuh dengan menggunakan reduktor seperti format, hidrogen,
ataupun laktat sebagai donor elektron dan nitrat, DMSO, ataupun
oksigen akseptor.[81] Semakin besar perbedaan potensial titik
tengah antra reduktor dan oksidator, semakin banyak pula energi
yang dilepaskan ketika bereaksi. Dari seluruh pasangan senyawa
ini, pasangan suksinat/fumarat tidak lazim karena potensial titik
tengahnya mendekati nol. Suksinat oleh karenanya dapat
dkoksidasi menjadi fumarat apabila terdapat oksidator kuat
seperti oksigen dan fumarat dapat direduksi menjadi suksinat
menggunakan reduktor kuat seperti format. Reaksi alternatif ini
dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase untuk oksidasi suksinat
dan fumarat reduktase untuk reduksi fumarat.[83]
Beberapa prokariota menggunakan pasangan redoks yang hanya
memiliki perbedaan potensial titik tengah yang kecil. Sebagai
contohnya, bakteri yang melakukan nitrifikasi
seperti Nitrobakter mengoksidasi nitrit menjadi nitrat dan
mendonarkan elektron ke oksigen. Sejumlah kecil energi yang
dilepaskan oleh reaksi ini cukup untuk memompa proton dan
menghasilkan ATP, namun tidak cukup untuk menghasilkan
NADH ataupun NADPH secara langsung untuk digunakan
dalam anabolisme.[84] Permasalahan ini diselesaikan dengan
menggunakan nitrit oksidoreduktase untuk menghasilkan gaya
gerak proton yang cukup untuk menjalankan sebagai rantai
transpor elektron secara terbalik, menyebabkan kompleks I
memproduksi NADH.[85][86]
Prokariota mengontrol penggunaan donor dan akseptor elektron
ini dengan memproduksi enzim tertentu sesuai dengan kondisi
lingkungan.[87] Fleksibilitas ini dimungkinkan karena oksidase dan
reduktase yang berbeda menggunakan kolam ubikuinon yang
sama. Ini mengijinkan banyak kombinasi enzim untuk bekerja
secara bersamaan, yang saling terhubung oleh zat antara
ubikuinol.[82]
Selain beranekaragamnya lintasan metabolisme ini, prokariota
juga memiliki sejumlah besar isozim, yaitu enzim-enzim berbeda
yang mengkatalisis reaksi yang sama. Sebagai contohnya, E.
coli memiliki dua jenis ubikuinol oksidase yang berbeda. Di bawah
kondisi aerob, sel menggunakan oksidase yang berafinitas
rendah terhadap oksigen yang dapat mentranspor dua proton per
elektron. Namun, apabila kadar oksigen menurun, sel akan
menggunakan oksidase yang hanya mentransfer satu proton per
elektron namun berafinitas tinggi terhadap oksigen.[88]
ATP sintase (kompleks V)[sunting]
Informasi lebih lanjut: ATP sintase
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.[89] 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,[90][91] dengan beberapa peneliti yang
mensugestikan bahwa sel dapat memvariasikan rasio ini sesuai
dengan kondisi.[92]
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.[89]
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.[93] 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 α dan tiga subunit β), manakala
bagian "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit γ, dengan ujung
tangkai menusuk ke dalam bola subunit α dan β.[94] Baik subunit α
dan β mengikat nukleotida, namun hanya subunit β yang
mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F1 pula terdapat
sebuah subunit berbentuk batang yang menghubungakan subunit
α dan β dengan dasar enzim.
Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui
saluran ini, motor FO berotasi.[95] Rotasi dapat disebabkan oleh
perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c,
menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit
c.[96] Cincin yang berotasi ini pada akhirnya akan memutar "as
roda" (tangkai subunit γ). Subunit α dan β dihalangi untuk
berputar oleh batang samping yang berfungsi sebagai stator.
Pergerakan ujung subunit γ yang berada dalam bola subunit α
dan β memberikan energi agar tapak aktif pada subunit β
menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan kemudian
melepaskan ATP.[9]
Mekanisme ATP sintase. ATP ditunjukkan dengan warna merah,
ADP dan fosfat dalam warna merah jambu, dan subunit γ yang
berputar dalam warna hitam.
Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai mekanisme perubahan
ikatan (binding change mechanism) dan melibatkan tapak aktif
subunit β yang berputar terus dalam tiga keadaan.[97] 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.
Pada beberapa bakteri dan arkaea, sintesis ATP didorong oleh
pergerakan ion natrium yang melalui membran sel daripada
pergerakan proton.[98][99] Arkaea seperti Methanococcus juga
mengandung A1Ao sintase, sebuah bentuk enzim yang
mengandung protein tambahan dengan kemiripan urutan asam
amino yang kecil dengan subunit ATP sintase bakteri dan
eukariota lainnya. Adalah mungkin bahwa pada beberapa
spesies, bentuk enzim A1Aoadalah ATP-sintase terspesialisasi
yang digerakkan oleh natrium,[100] namun ini tidaklah benar pada
keseluruhan kasus.[99]
Spesi oksigen reaktif[sunting]
Informasi lebih lanjut: [[Stres oksidatif dan Antioksidan]]
Oksigen molekuler merupakan akseptor elektron akhir yang ideal,
karena ia merupakan oksidator kuat. Reduksi oksigen melibatkan
zat antara yang berpotensi bahaya.[101] Walaupun transfer empat
elektron dan empat proton akan mereduksi oksigen menjadi air,
yang tidak berbahaya, transfer satu atau dua elektron akan
menghasilkan anion superoksida ataupun anion peroksida, yang
sangat reaktif dan berbahaya.
Spesi oksigen reaktif dan produk reaksinya ini seperti
radikal hidroksil, sangatlah berbahaya bagi sel, karena akan
mengoksidasi protein dan mengakibatkan mutasi pada DNA.
Kerusakan ini berkontribusi terhadap penyakit dan diajukan
pula merupakan salah satu akibat dari penuaan.[102][103]
Kompleks sitokrom c sangat efisien mereduksi oksigen
menjadi air, dan melepaskan hanya sedikit zat antara yang
tereduksi secara parsial. Namun terdapat sejumlah kecil
anion superoksida dan peroksida yang diproduksi oleh rantai
transpor elektron.[104] Terutama pentingnya adalah pada
reduksi koenzime Q pada kompleks III, karena radikal bebas
ubikuinon yang sangat reaktif terbentuk sebagai zat antara
dalam siklus Q. Spesi yang tidak stabil ini dapat
menyebabkan "kebocoran" elektron ketika elektron ditransfer
secara langsung ke oksigen dan menghasilkan superoksida.
[105] Karena laju produksi spesi oskigen reaktif oleh kompleks
pemompa proton ini tertinggi ketika potensial membran
tinggi, diajukan bahwa mitokondria meregulasi aktivitas
kompleks untuk menjaga potensial membran berada dalam
kisaran yang kecil sehingga menyeimbangkan produksi ATP
terhadap produksi oksidator.[106] Sebagai contohnya,
oksidator dapat mengaktivasi UCP (uncoupling protein) yang
menurunkan potensial membran.[107]
Untuk melawan spesi oksigen reaktif ini, sel mengandung
sejumlah sistem antioksidan, meliputi vitamin antioksidan
seperti vitamin Cdan vitamin E, dan enzim antioksidan
seperti superoksida dismutase, katalase, dan peroksidase,
[101] yang menetralkan spesi reaktif sehingga mengurangi
kerusakan sel.
Gugus anion superoksida, senyawa organik yang sangat aktif
yang terdapat pada molekul hidrogen peroksida dan jenis
ROS lainnya, merupakan produk samping reaksi redoks yang
terjadi pada rantai transpor elektron.[108] Gangguan
mekanisme produksi ROS dapat berakibat pada berbagai
macam patologi seperti diabetes, neurodegenerasi, gagal
jantung, chronic obstructive pulmonary disease. Domain
produksi anion superoksida terletak pada kompleks I dan
kompleks III.
Dari beberapa senyawa intermediat pengusung
satu elektron, radikal bebas SQ - dianggap merupakan
senyawa yang paling berperan aktif dalam
mereduksi molekul oksigen menjadi anion superoksida.
Molekul semikuinon dihasilkan kompleks I dan III sebagai
hasil reduksi ubikuinon atau oksidasi ubikuinol,
SQ- akan melekat pada kompleks I atau III hingga saat
terstimulasi elektron yang kedua dengan reaksi,
Semikuinon lebih lanjut dapat berinteraksi langsung
dengan molekul oksigen dengan reaksi,
Inhibitor[sunting]
Terdapat beberapa obat dan racun yang
dikenal baik menginhibisi fosforilasi oksidatif.
Walaupun semua racun hanya menginhibisi
satu enzim pada rantai transpor elektron,
inhibisi pada langkah apapun pada proses ini
akan menghentikan keseluruhan proses.
Contohnya, jika oligomisin menginhibisi ATP
sintase, proton tidak dapat mengalir balik ke
dalam mitokondria.[109] Akibatnya, pompa proton
tidak dapat bekerja, karena gradien
konsentrasinya menjadi terlalu kuat untuk
diatasi. NADH kemudian tidak akan lagi
teroksidasi dan siklus asam sitrat berhenti
bekerja karena konsentrasi NAD+ menurun di
bahwa kadar yang cukup agar enzim bekerja.
SenyawaKeguna
an
Efek terhadap fosforilasi oksidatif
SianidaKarbon monoksida
Racun
Menghambat rantai transpor elektron dengan terikat lebih kuat daripada oksigen pada pusat Fe–Cu dalam sitokrom c oksidase, mencegah reduksi oksigen.[110]
Oligomisin Antibioti Menghambat ATP sintase
k
dengan memblokir aliran proton ke subunit Fo.[109]
CCCP2,4-Dinitrofenol
Racun
Ionofor yang mengganggu gradien proton dengan membawa proton melewati membran. Ionofor ini mengawagandengkan (uncouple) pompa proton dari sintesis ATP karena ia membawa proton melewati membran mitokondria dalam.[111]
Rotenon Pestisida
Mencegah transfer elektron dari kompleks I ke ubikuinon dengan menutup tapak ikat ubikuinon.[112]
Malonat danoksaloasetat
Inhibitor kompetitif suksinat dehidrogenase (kompleks II).[113]
Tidak semua inhibitor fosforilasi oksidatif
bersifat racun. Pada jaringan lemak coklat,
saluran proton yang diregulasi disebut UCP
(uncoupling protein), yang dapat
mengawagandengkan respirasi dari sintesis
ATP.[114] Respirasi cepat ini menghasilkan
panas, dan proses ini sangat penting dalam
menjaga suhu tubuh pada hewan yang
berhibernasi, walaupun protein ini kemungkinan
juga memiliki fungsi umum dalam respon sel
terhadap stres.[115]
Referensi