Hery HaryantoLab. Biolog FMIPAUniversitas BengkuluPenyakit terkait disfungsi Mitokondria dan Lisosoma E-mail : hery-h@unib.ac.id

The theory of endosymbiosis.Scientists propose that ancestral eukaryotic cells, which already had an internal system of membranes, engulfed aerobic eubacteria, which then became mitochondria in the eukaryotic cell. Chloroplasts may also have originated this way, with eukaryotic cells engulfing photosynthetic eubacteria.

Evolutionary origin of mitochondria and chloroplasts according to endosymbiont hypothesis.

Struktur mitokondriaMitondria umumnya berbentuk silindris memanjang, atau kadang bulat. mempunyai membran ganda, dan mempunyai genom dan ribosom tersendiri. E-mail : hery-h@unib.ac.id

Struktur mitokondriaMembran luar (outer membrane)Membran dalam (inner membrane)Matriks : terdapat beberapa buah genom DNA yang identik, ribosome, tRNA dan granula kecil-kecilRuang antar membran (intermembran space)Krista (cristae)E-mail : hery-h@unib.ac.id

Membran luar (outer membrane) Membran luar membatasi mitokondria dengan sitosol. Pada membran luar terdapat protein porin yang membentuk saluran yang permeabel terhadap molekul yang massanya kurang dari 10.000 dalton. Pada membran luar terdapat juga protein enzim yang berperanan dalam sintesis lipid mitokondria dan enzim yang mengkatalisa perombakan substrat lipid untuk digunakan di dalam matriks.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Membran dalam (inner membrane) Membran dalam membentuk lipatan ke dalam, sehingga memperluas bidang membran dalam, dan ini dikenal sebagai krista. Pada membran ini terdapat 3 macam protein berdasarkan fungsinya, yakni : a. kelompok protein yang berperanan dalam reaksi oksidasi dari rantai respirasi, b. protein ATP sintetase yang memproduksi ATP di dalam matriks, dan c. kelompok protein transport yang mengatur lalu lintas keluar masuknya metabolik keluar dan masuk matriks. Membran ini bersifat impermeabel terhadap ion-ion, protein, dan molekul lain, sehingga membran ini berperanan di dalam menjaga perbedaan konsentrasi elektrokimia antara matriks dan ruang antar membran,E-mail : hery-h@unib.ac.id

Matriks Matriks dibatasi oleh membran dalam. Matrik nampak lebih padat dan terdapat beberapa buah genom DNA yang identik, ribosome, tRNA dan granula kecil-kecil. Juga terdapat ratusan buah enzim yang berperanan dalam oksidasi piruvat dan asam lemak dan enzim pada siklus Krebs.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Ruang antar membran (intermembran space) Ruang antar membran mengandung enzim-enzim yang menggunakan ATP yang keluar dari matriks untuk memfosforilasi nukleotida.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Mitokondria sebagai pusat energi suatu selMakanan (misal : glukosa) yang dimakan oleh mahkluk hidup dioksidasi untuk menghasilkan elektron berenergi tinggi yang disimpan dalam bentuk ikatan energi fosfat pada molekul Adenosin Triphosphat, ATP. Molekul ATP dibentuk dengan merubah Adenosin Diphosphat (ADP) dengan menambahkan gugus phospat anorganik (Pi). Energi yang terikat pada molekul ATP akan digunakan oleh semua macam fungsi seluler, seperti pergerakan, transport molekul, pemasukan dan pengeluaran molekul, pembelahan sel, dan sebagianya. Jalur produksi ATP pada mitokondria sebagai berikut : glikolisis siklus Krebs rantai transport elektron produksi ATP oleh ATP sintetase.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Peranan Mitokondria : Glikolisis Rantai transport elektronBagaimana makanan yang kita konsumsi dirubah menjadi molekul energi tinggi ATP ?. Pertama makanan (terutama biomolekul karbohidrat dan lipid) akan dibongkar (katabolisme) menjadi molekul sederhana. Misalnya, amilum dibongkar secara enzimatis (enzim ptalin, a-amilase) menjadi karbohidrat sederhana glukosa. Glukosa akan masuk ke sel melewati suatu molekul protein carrier pada membran (glucose transporter, Na+ glukosa pump). E-mail : hery-h@unib.ac.id

In the absence of oxygen, two electrons are transferred from each NADH molecule to an acceptor molecule to regenerate NAD, whichis required for continued glycolysis.

In yeasts, acetaldehyde is the acceptor and ethanol is the product. This process is called alcoholic fermentation.

When oxygen is limiting in muscle cells, NADH reduces pyruvate to form lactic acid, regenerating NAD.

Anaerobic metabolism of glucose.

aerobic metabolism of glucoseIn the presence of oxygen, pyruvateis transported into mitochondria.

First it is converted by pyruvate dehydrogenase into one molecule of CO2 and one of acetic acid, the latter linked to coenzyme A (CoA-SH) to form acetyl CoA, concomitant with reduction of one molecule of NAD to NADH.

Further metabolism of acetyl CoA and NADH generates approximately an additional 28molecules of ATP per glucose molecule oxidized.

E-mail : hery-h@unib.ac.id

E-mail : hery-h@unib.ac.id

The citric acid cycle,

Asam piruvat adalah molekul dengan 3 buah karbon. Setelah memasuki mitokondria asam piruvat akan dirubah menjadi asetil Co-A (molekul dengan 2 karbon) oleh suatu enzim, dan melepaskan 1 molekul CO2. Asetil Co-A masuk ke siklus Krebs dengan bergabung dengan oksaloasetat (molekul dengan 4 karbon), dan membentuk sebuah molekul dengan 6 karbon, yakni asam sitrat. Dan inilah mengapa siklus dinamakan juga sebagai asam sitrat, yakni reaksi yang pertama membuat asam sitrat. Selanjutnya asam sitrat dibongkar dan dimodifikasi secara tahap demi tahap dan menghasilkan ion-ion hidrogen dan molekul karbon sebagai CO2. Sementara ion-ion hidrogen akan diikat oleh NAD dan FAD. Proses siklus berjalan terus dan akan menghasilkan molekul oksaloasetat (molekul 4 karbon) lagi. Oleh karena itu proses ini disebut siklus karena berakhir pada titik dimana proses itu dimulai, yakni oksaloasetat dengan mengikat asetil Co-A.E-mail : hery-h@unib.ac.idSiklus Krebs

Fosforilasi OksidatifKonsep yang melatar-belakangi respirasi di mitokondria adalah penggunaan siklus Krebs untuk mengeluarkan sebanyak mungkin elektron berenergi tinggi dari asetil Co-A yang dibawa oleh FADH2 dan NADH. Elektron berenergi tinggi selanjutnya digunakan untuk menjalankan mekanisme molekul rantai transport elektron pada membran dalam untuk memompa proton (H+) dari matriks ke ruang antar membran. Selanjutnya terjadi perbedaan elektrokimia H+ antara ruang antar membran dan matriks, sehingga energi dari perbedaan elektrokimia H+ digunakan oleh ATP sintetase untuk menghasilkan ATP. E-mail : hery-h@unib.ac.id

Fosforilasi Oksidatif.Pertama sekali marilah kita jelaskan definisi dasarnya. Jika ion hidrogen ditangkap atau elektron dilepaskan dari sebuah molekul, maka molekul tersebut mengalami oksidasi. Sebaliknya bila ion hidrogen dilepaskan atau elektron ditangkap oleh sebuah molekul, molekul tersebut mengalami reduksi. Jika molekul fosfat menjadi terikat pada sebuah molekul, maka molekul tersebut mengalami fosforilasi. Maka fosforilasi oksidatif merupakan proses keterkaitan antara pelepasan ion-ion hidrogen dari sebuah molekul dan penangkapan molekul fosfat ke molekul yang lain. Bagaimanakah terjadinya fosforilasi oksidatif di mitokondria?

Tahapan siklus KrebsPada siklus Krebs ion-ion hidrogen dan elekton didonasikan ke dua buah pembawa molekul dalam 4 tahapan. Ion-ion hidrogen ditangkap oleh salah diantara NAD atau FAD, dan pembawa molekul ini berubah menjadi NADH dan FADH2 (sebab kedua molekul pembawa ion hidrogen). Elektron akan dipindahkan secara kimiawi dari molekul-molekul pada rantai transport elektron atau disebut juga rantai respirasi. Rantai transport elektron / rantai respirasi merupakan molekul yang terdapat pada bagian membran dalam mitokondria (krista). Molekul NADH dan FADH berfungsi bagiakan alat angkut yang bergerak secara lateral pada bidang membran, dan berdifusi dengan molekul komplek satu ke komplek molekul yang lain. Pada setiap molekul komplek tersebut terdapat pompa ion hidrogen (proton) yang memindahkan hidrogen dari dalam matriks ke ruang antar membran. Keadaan ini menyebabkan perbedaan konsentrasi proton (lebih tinggi di ruang antar membran daripada di dalam matriks) disepanjang membran dalam.Selanjutnya elektron dibawa dari komplek satu ke komplek lain oleh ubiquinone and cycochrome C.Pompa ketiga pada rantai respirasi mengkatalisis pemindahan elektron ke oksigen dan terbentuklah molekul air. Proses pemompaan khemiosmotik menciptakan perbedaan elektrokimia proton sepanjang membran dan digunakan oleh mesin pembuat energi ATP synthase yang terletak di krista untuk membentuk ATP dari ADP dan phosphat. Proses ini memerlukan molekul oksigen oleh karena itu disebut sebagai metabolisme aerobik. Oleh karena kompartmen pada mitokondria sangat perperanan penting di dalam setiap reaksi pada rantai respirasi.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Oksidasi terkait pada proses fosforilasiNAD dan FAD melepaskan elektron yang ditangkap dari beberapa tahap dari siklus Kreb. Selanjutnya mereka membawa elektron ke pompa transport elektron, dan melepaskannya ke pompa tersebut. NAD dan FAD menjadi teroksidasi, sebab mereka kehilangan ion hidrogen ke pompa. Kemudian pompa tersebut memindahkan ion hidrogen ke ruangan antar membran dan ion-ion hidrogen ini diakumulasi sampai pada tingkatan konsetrasi untuk menjalankan pompa ATP sintetase untuk melakukan fosforilasi terhadap ADP. Ion-ion hidrogen di ruang antar membran kemudian dipompa kembali ke dalam matriks oleh ATP sintetase dan bergabung dengan molekul oksigen untuk membentuk molekul air. Dan apabila molekul oksigen tidak tersedia, ion-ion hidrogen akan terakumulasi, dan tidak adanya perbedaan konsentrasi ion hidrogen untuk menjalankan ATP sintetase, maka ATP sintetase tidak dapat bekerjaE-mail : hery-h@unib.ac.id

Mengapa mitokondria diperlukanGagasan utama dari proses fosforilasi oksidatif adalah mendapatkan sebanyak mungkin ATP yang diproduksi dari glukosa atau hasil degradasi bahan makan yang lain. Dalam keadaan tidak ada oksigen, hanya 4 molekul ATP yang dapat diperoleh dari proses glikolisis sebuah molekul glukosa. Namun bila tersedia oksigen, siklus Kreb dapat berjalan 24-28 ATP tambahan dapat dihasilkan dari sebuah molekul glukosa yang telah dirubah menjadi asam piruvat. Jadi total produksi ATP adalah 28-32 ATP ( 4 ATP dari glikolisis ditambah 24-28 ATP dari fosforilasi oksidatif). Ringkasannya adalah berapa banyak energi yang dapat diproduksi dari 1 molekul glukosa, jika organel mitokondria dalam keadaan berfungsi dan tersedia oksigen.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Peranan struktur krista mitokondria.Struktur krista mitokondria sangat penting, tidak hanya adanya rantai transport elektron dan molekul yang berperanan dalam produksi ATP (enzim rantai respirasi dan ATP sintetase) dan mengorganisasaikan molekul-molekul tersebut, tetapi struktur krista memisahkan antara matriks dan ruang antar membran sehingga terbentuklah perbedaan konsentrasi ion hidrogen yang digunakan untuk menjalan dan molekul yang berperanan dalam produksi ATP. Dan peranan yang lain adalah dalam import protein ke dalam matriks (akan didiskusi di belakang). Dan struktur krista juga dapat menunjukan bagaimana aktivitas selnya. Misalnya pada sel otot yang digunakan untuk pergerakan (misal otot pada sayap burung yang aktif terbang), struktur krista pada mitokondria lebih padat dan sangat berkembang, karena kebutuhan energi untuk pergerakan oleh sel otot tersebut membutuhkan energi ATP lebih banyak.E-mail : hery-h@unib.ac.id

E-mail : hery-h@unib.ac.id

Redox potential and free energy through the respiratory chain.Four large multiprotein complexes located in theinner membrane contain several electron-carrying prosthetic groups.

Coenzyme Q (CoQ) and cyto-chrome c transport electrons between the complexes.

Electrons pass through the multiprotein complexes from those at a lower reduction potential to those with a higher (more positive) potential (left scale), with a corresponding reduction in free energy (right scale).

Mitochondrial diseasesare the result of either inherited or spontaneous mutations in mtDNA or nDNA which lead to altered functions of the proteins or RNA molecules that normally reside in mitochondria. Problems with mitochondrial function, however, may only affect certain tissues as a result of factors occurring during development and growth that we do not yet understand. Even when tissue-specific isoforms of mitochondrial proteins are considered, it is difficult to explain the variable patterns of affected organ systems in the mitochondrial disease syndromes seen clinically

When a person has Mitochondrial Disease the Mitochondria in the cells are not producing enough energy for the cell. Sometimes they do not work at all, and sometimes they are just not very efficient.If a cell does not get enough energy (ATP) it cannot function properly.There is a huge variety in the symptoms and severity of Mitochondrial Disease. It depends on how many cells are affected, and where they are in the body.The symptoms of Mitochondrial disease are usually progressive in body systems where the cells have a high demand for energy, such as brain cells.

LisosomaVideo protein traffickingE-mail : hery-h@unib.ac.id

Video Lysosome

Molekul penyusup akan dihancurkan oleh enzim-enzim hidrolitikPada badan kita terdapat sel fagosit (sel-sel granulosit, monosit atau makrofag) yang mampu menghancurkan kuman yang masuk dalam badan, dengan cara fagositosis.Sel fagosit memakan zat immunogen atau bagian sel kuman, memprosesnya dan menampilkannya kepada sel pembunuh (Sel T Pembunuh, atau T Cell Killer) untuk menimbulkan tanggapan kekebalan tubuh. Sel-sel tersebut dilengkapi dengan organel lisosom yang di dalam lumennya terdapat enzim pencernak, atau lisozim yang mampu menghidrolisis atau menghancurkan partikel-partikel molekul apa yang ada pada bagian sel kuman yang ditelannya tersebut.

E-mail : hery-h@unib.ac.id

Peranan lisosoma & PeroksisomaLisosom merupakan organel berselaput yang berfungsi sebagai tempat vesikula penyimpanan enzim-enzim hidrolitik yang aktif pada pH asam. Enzim-enzim yang terdapat di dalam lisosoma adalah enzim pembongkar molekul kompleks. Enzim lisosom merupakan hasil sintesis protein yang dilangsungkan di retikulum endoplasma. Peroksisoma merupakan organel meyerupai lisosom dalam hal struktur tetapi berbeda dalam hal isi, yaitu mengandung komponen enzim yang berbeda dengan enzim lisosom. Peroksisom berfungsi untuk membuang senyawa racun seperti H2O2 atau senyawa metabolit lainnya. Selain itu peroksisom juga berfungsi sebagai tempat utama penggunaan O2 dan beberapa macam jenis senyawa racun terakumulasi.

E-mail : hery-h@unib.ac.id

LisosomaLisosom merupakan organel berselaput yang berfungsi sebagai tempat vesikula penyimpanan enzim-enzim hidrolitik yang aktif pada suasana asam (pada pH sekitar 4,5) sehingga mampu menghidrolisis hampir semua macam komponen molekul dalam sel tanpa kecuali. Untuk mempertahankan suasana asam, membran lisosom memompa proton ke dalam lumennya. Lisosom dilaporkan memiliki tidak kurang dari 40 sampai 50 macam hidrolase.Mengapa lisosom tidak terhidrolisis habis oleh enzim hidrolitik yang dikandungnya?Adanya glikoprotein yang kompleks pada membran lisosom menghadap ke arah interior diduga merupakan cara proteksi internal yang mencegah hidrolase yang ada di dalamnya mengenali komponen molekul struktural lisosom. Semua enzim itu, merupakan glikoprotein yang memang merupakan pertanda asal-usulnya dari badan golgi. Meskipun produk reaksi hidrolisis dapat keluar dari lisosom, tetapi enzim-enzim lisosom tetap berada di dalam lumen. Bila selaput membran lisosom rusak akan menyebabkan lisozim keluar dan menghidrolisis semua komponen sel dalam sitoplasma.

E-mail : hery-h@unib.ac.id

Enzim hidrolitik dalam lisosomaNo Nama enzim Kemampuan hidrolitik 1. Ribo-Nuklease menghidrolisis RNA 2 Deoksiribo-Nuklease menghidrolisis DNA 3 Protease Cathepsin menghidrolisis protein pada sisi sistein 4 Protease kolagenase menghidrolisis kolagen 5 Peptidase menghidrolisis peptida 6 Lipase menghidroliis ester asam lemak 7 fosfolipase menghidrolisis Fosfolipid 8 Asam fosfatase menghidrolisis fosfomonoester 9 Fosfodiesterase menghidrolisis oligonukleotida dan fosfodiester 10 Enzim hidrolitik untuk polisakarida dan oligosakarida : Galaktosidase Galaktosida Glukosidase Glukosida Manosidase Manosida Heksoaminidase Heksoaminida Glukoserebrosidase Glukoserebrosida Glukuronidase Glukuronida E-mail : hery-h@unib.ac.id

Semua enzim di dalam lumen lisosoma merupakan glikoprotein yang memang merupakan pertanda asal-usulnya dari badan golgi. Meskipun produk reaksi hidrolisis dapat keluar dari lisosom, tetapi enzim-enzim lisosom tetap berada di dalam lumen.E-mail : hery-h@unib.ac.id

Glikosilasi protein Retikulum endoplasma Apparatus GolgiE-mail : hery-h@unib.ac.id

Pentargetan lisosomaE-mail : hery-h@unib.ac.id

Sekresi Constitutive secretionRegulated secretion

***************************