1. Rantai Pernafasan

Urutan reaksi pengangkutan elektron (delapan tahap reaksi oksidasi-reduksi)

dalam rantai pernafasan ditunjukkan pada Gambar 4.1. Atom hidrogen, atau

tepatnya elektron dari atom ini, dialirkan dari satu molekul pembawa elektron ke

molekul lainnya dalam suatu urutan reaksi oksidasi-reduksi (reaksi pengangkutan

elektron). Semua enzim dan koenzim yang diperlukan dalam proses ini terletak di

dalam mitokondria suatu sel. Telah diketahui masuknya elektron ke dalam rantai

pernafasan berlangsung melalui salah satu dari dua jalan, yaitu melalui NAD atau

ubikuinon (koenzim-Q). Kedelapan tahap reaksi oksidasi-reduksi pengangkutan

elektron tersebur dituliskan dengan persamaan reaksi kimianya pada Tabel 4.1.

Seperti telah diterangkan di atas, mengalirnya elektron dalam rantai pernafasan

berlangsung dari rnolekul pembawa elektron yang mempunyai potensial oksidasi-

reduksi yang lebih negatif ke yang kurang negatif, atau dari yang kurang positif ke

yang lebih positif. Hal ini dijelaskan pada Gambar 4.2.

Zat penghambat pengangkut elektron

Ditemukannya berbagai zat penghambat dari rantai pengangkutan elektron telah

menghasilkan informasi yang berguna mengenai urutan kedudukan molekul

pembawa elektron dalam rantai pernafasan. Tiga macam zat penghambat (Gambar

4.3)

Pierisidin

Amital

Antimisin A

Rotenon

telah diketahui bekerja dalam penghambatan proses pengangkutan elektron dari

NADH ke ubikuinon: rotenon, suatu senyawa racun dari tumbuhan yang

dipergunakan sebagai insektisida; amital, senyawa obat kelompok barbiturat; dan

pierisidin, suatu senyawa antibiotik yang strukturnya serupa dengan ubikuinon,

sedemikian rupa sehingga dapat bertindak sebagai zat hambat saing terhadap

ubikuinon. Dalam hal ini ketiga zat tersebut berperan sebagai penghambat

terhadap NADH dehidrogenase, yaitu enzim yang mengkatalisis proses

pengangkutan elektron dari NADH ke ubikuinon. Gambar 4.4 menunjukkan

lokasi penghambatan dalarn rantai pernafasan.

Gambar 4.4 Rantai pernafasan: Lokasi (tahap reaksi pengangkutan elektron)

penghambatan oleh zat penghambat pernafasan (rotenon, arnitral, antimisin A.

dan sianida). Lokasi -1, -2, dan -3 adalah ternpat terjadinya mekanisme fosforilasi

bersifat oksidasi yang menghasilkan ATP dari ADP + Pi,

Antimisin-A adalah zat penghambat yang bekerja pada proses pengangkutan

elektron antara sitokrorn-b dan sitokrom-c; suatu antibiotik yang didapatkan dari

Streptomyces griseus.

Kelompok ketiga zat penghambat dalam rantai pernafasan adalah zat yang

mengharnbat proses pengangkutan elektron dari sitokrorn-aa3, ke O2 yaitu

hidrogen sianida , hidrogen sulfida, dan karbonmonoksida.Reduksi oksigen

sebagai tahap akhir pengangkutan elektron.

Reduksi oksigen sebagai tahap akhir pengangkutan elektron

Jurnlah elektron per molekul pembawa elektron yang diangkut rnelalui rantai

pernafasan terdiri dari dua macam: pengangkutan elektron dari NADH ke

ubikuinon yang berlangsung dengan tahap dua elektron , dan dari ubikuinon ke O2

yang berlangsung dengan tahap satu elektron (Gambar 4.5).

Gambar 4.5 pola yang menunjukkan jumlah elektron yang diangkut dalam proses rantai

pernafasan: (a) dua elektron angkut dari subtrat ke koenzem–Q, selanjutnya satu elektron dari

koenzem–Q ke O2; (b) dua elektron diangkut dari subtrat sampai dengan O2

Seperti telah diuraikan di atas, proses pengangkutan tersebut diakhiri dengan

tahap penerimaan elektron oleh O2, yaitu reaksi reduksi satu molekul O2

rnenghasilkan dua molekul H2O yang memerlukan empat elektron untuk setiap

molekul O2 yang tereduksi. Oleh karena itu timbul pertanyaan: Bagaimanakah

terkoordinasinya aliran elektron dalam rantai pernafasan itu sedemikian rupa

sehingga dihasilkan empat elektron yang diperlukan untuk mereduksi satu

molekul O2 ? Telah diketahui reduksi molekul O2 oleh satu elektron menghasilkan

radikal superoksida (O2-), sedangkan oleh dua elektron menghasilkan hidrogen

peroksida (H2 O2), Kedua hasil reaksi ini adalah racun yang sangat reaktif dan

dapat merusak berbagai gugus fungsi biomolekul. Di dalam sel aerob dan sel

hewan lainnya O2¯ diubah oleh enzim superoksida dismutase menjadi H2 O2, yang

selanjutnya oleh enzim katalase diubah menjadi H2O melalui persamaan reaksi

Telah diketahui adanya dua macam superoksida dismutase. Yang pertama terdapat

di dalam mitokondrion, mengandung Mn2+; sedang yang kedua, terdapat di

dalam.sitoplasrna (di luar mitokondrion), mengandung Cu2+ dan Zn2+. Kedua

enzim ini terdapat di dalam sel dalam konsentrasi yang cukup besar dan kegiatan

yang tinggi. Hal ini menunjukkan radikal superoksida yang dihasilkan secara

kontinu segera diubah menjadi bentuk senyawa yang tidak beracun, yaitu H2O dan

O2.

Energi pengangkutan elektron

Perubahan energi bebas baku (6 COI) dari reaksi oksidasi-reduksi antara satu

molekul pembawa elektron dengan molekul lainnya dinyatakan dengan

persarnaan

ΔGo '=− nF ΔE0 '

dimana n = jumlah elektronyang diangkut, F = bilangan Faraday (23062 kkal),

dan ΔEo' adalah perbedaan potensial baku (Eo') antara molekul penerima dan

molekul pemberi elektron dalam pengangkutan tersebut, Telah diketahui Eo untuk

NADH -0,32 volt dan untuk O2 +0,82 volt. Maka ΔG0’ untuk pengangkutan

elektron dari NADH ke O2 (sepanjang rantai pernafasan) adalah

ΔGo '=− 2×23062× [0 ,82−(−0 , 32 ) ]¿−52700 kal/mol = -52,7 kkal/mol

Perubahan energi bebas negatif yang dihasilkan oleh pengangkutan sepasang

elektron dari NADH ke O2 dalam rantai pernafasan ini jauh lebih besar daripada

ΔGo’ penguraian ATP menjadi ADP + Pi (ΔGo’ = -7,3 kkal per mol). Oleh karena

itu ΔGo’ pengangkutan elektron dalam pernafasan cukup besar untuk

menghasilkan beberapa molekul ATP dati ADP + Pi, apabila terdapat suatu

mekanisme untuk merangkaikan kedua proses tersebut (proses pengangkutan

elektron dan pembentukan ATP dari ADP + Pi atau proses fcsforilasi bcrsifat

oksidasi). Hal ini akan dibahas secara mendalam pada pasal mengenai fosforilasi

bersifat oksidasi.

Pengangkutan elektron dalam mikrosom

Pengangkutan elektron yang terjadi dalam retikulum eridoplasma (mikrosorn)

berlangsung dengan adanya sistem pengangkutan elektron yang terikut pada

rnernbran organel tersebut. Berbeda dengan pengangkutan elektron dulam rantai

pernafasan, proses dalam organel ini tidak dirangkaikan dengan proses fosforilasi

bersifat oksidasi, tetapi dirangkaikan dalam proses hidroksilasi berbagai senyawa

kimia (substrat) di dalam sel seperti steroid, asarn lemak , skualin , berbagai asam

amino, senyawa obat-obatan seperti fenobarbital, rnorfin, kodein , dan amfetamin,

dan senyawa karsinogen hidrokarbon seperti metilkolantren. Sistem pengangkutan

elektron mikrosom yang terdapat di dalam sel hati terdiri clari molekul pembawa

elektron NADP, NADP dehidrogenase, suatu flavoprotein yang disebut NADPH-

sitokrom P450 reduktase (enzim yang mengandung FAD), clan sitokrom P450

(bentuk reduksi dari derivat karbon monoksida senyawa pigmen ini mernpunyai

penyerapan maksimum pada panjang gelombang 450 nm). Bentuk reduksi P450

yaitu P450.Fe(II) atau P450.Fe2+ , bereaksi dengan molekul O2, Dalam reaksi ini

satu atom O direduksi menjadi H2O dan satu atom O lainnya dimasukkan ke

dalam molekul substrat. Pada gambar 4-6, dijelaskan bahwa mekanisme dimulai

dengan pengikatan suatu molekul substrat A oleh sistem P450 dalam bentuk

oksidasinya (P450.Fe3+), yang kemudian direduksi oleh satu elektron dari NADPH

(melalui FAD) menghasilkan bentuk reduksinya (P450.Fe2+). Selanjutnya molekul

ini dioksigenasi dan satu lagi elektron dari NADPH dipakai untuk mengubah O2

(yang terikat pada P450) menjadi bentuk radikalnya, O2-, Suatu reaksi oksidasi-

reduksi dalam kemudian berlangsung menghasilkan substrat yang terhidroksilasi

dan H2O. Tahap mekanisme ini diakhiri dengan regenerasi P450 menjadi bentuk

oksidanya kembali (P450.Fe3+).

Satu jenis lainnya dari sistem rantai pengangkutan elektron dalam mikrosom sel

hati adalah sistem sitokrom b5-oksigenase yang melibatkan sitokrom b5 reduktase

dan sitokrom b5 (Gambar 4.7). Sistem ini berperan dalam proses reaksi

pengawajenuhan asam lemak dalam sel hewan.

Di dalam sel jasad renik, proses tersebut berlangsung dengan bantuan sistem

pengangkutan elektron lain, yaitu yang melibatkan molekul flavoprotein dan

protein yang mengandung Fe dan S (protein Fe.S) sebagai pembawa elektronnya

(Cambar 4.8).

Mekanisme hidroksilasi suatu substrat oleh sistem angkutan elektron P450 dalam mikrosom: Substrat, A, mengikat ion Fe3+ dari molekul P450, yang kemudian direduksi oleh satu elektron yang kedua dari NADPH menghasilkan bentuk oksigen radikal,O2

-. Akhirnya terjadi reaksi oksidasi-reduksi menghasilkan substrat yang terhidroksilasi, A–OH dan H2O.

Mekanisme pengangkutan elektron dalam sistem sitokrom b5

Mekanisme pengangkutan elektron dirangkaikan dengan proses pengawa-jenuhan asam lemak dalam jasad.

Mitokondrion sebagai tempat berlangsungnya proses fosforilasi bersifat

oksidasi

Mitokondrion adalah organel sel yang tugas utarnanya sebagai penghasil energi

(ATP). Macarn sel yang berbeda mempunyai jumlah mitokondrion yang berbeda

pula. Sel hati tikus mengandung sekitar 800 buah mitokondrion. Pada umumnya

berbentuk bulat, tetapi beberapa sel tertentu mernpunyai bentuk mitokondrion

yang bulat lonjong (dalarn sel hati), bentuk tabung (dalarn sel ginjal), bentuk

batang atau benang (dalarn fibroblast), dan kadang-kadang berbentuk kompleks

tak teratur (dalarn sel ragi). Yang paling banyak diteliti dan diketahui adalah

mitokondrion sel hati tikus dengan ukuran 1 μm × 2 μm. Jadi hampir sama dengan

ukuran bakteri.

Mitokondrion mempunyai dua membran (Gambar 4.9). Membran-luar yang halus

dan kenyal dan membran-dalarn yang berlipat-lipat ke dalam, disebut krista.

Gambar 4.9 Gambaran mitokondrion dalam berbagai macam sel jaringan hewan, dan berbagai sturktur krista di dalamnya.

Kedua rnembran tersebut berbeda baik dalarn struktur, tugasnya, serta enzim yang terkandung di dalamnya. Tabel 4-3 menunjukkan berbagai enzim yang terkandung dalarn ruang-bagian mitokondrion Dari sekian banyak enzim ini ada beberapa enzim tertentu yang merupakan enzim-ciri untuk tiap bagian mitokondrion: monoamin oksidase merupakan enzim-ciri membran-luar; sitokrorn aa3 adalah

membran luarmembran dalammembran luar

Hati tikus(sepeti lempeng)

Leak coklat pada tikus(bersekat) Paramesium

(bentuk tabung)

Blowfly flight muscle(lembaran berlubang-lubang)

enzim-ciri membran-dalarn: sedangkan malat dan glutarnat dehidrogenase, seperti juga enzim daur asam trikarboksilat merupakan enzim-ciri matriks mitokondrion.

Membran luar: Monoamin oksidase Kinurenin-3-monooks iqenase NADH dehidrogenase yang tak peka terhadap antimisinAsil-CoA sintetase Fosfolipase A2 Nukleosida difosfatkinase

Ruang antar membran: Adenilat kinase

Membran dalam: NADH dehidrogenase yang peka terhadap antimisinProtein yang mengandung Fe-S Sitokrom-sitokrom b, c, c1, dan aa3 F1 -ATPase Suksinat dehidrogenaseD-β-Hidroksibutirat dehidrogenaseKarnitin asiltransferase

Matriks sitoplasrna : Sitrat sintaseIsositrat dehidrogenaseFurnareseMalat dehidrogenaseGlutamat dehidrogenaseAspartat transaminaseEnzim oksidasi asam lemak

Mernbran-dalarn sebagai tempat berlangsungnya proses fosforilasi bersifat oksidasi, mengandung makro-molekul kompleks ATPase yang berbentuk per-tonjolan pada permukaan membran-dalam yang menghadap matriks

Membran luar

Membran luar

F1 – ATPase

krista

Mitokondrion : membran luar, membran dalam, enzim F1 - ATPase, krista dan bagian matriks

Mitokondrion: Gambar yang menunjukkan hubungan antara membran dalam, membran luar, krista, dan struktur F1 - ATPase

Mekanisme fosforilasi bersifat oksidasi

Proses fosforilasi bersifat oksidasi pada rantai pernafasan terdiri dari tiga meka-nisme yang masing-masing berdiri sendiri, namun ketiganya dirangkaikan secara terkoordinasi sedemikian rupa sehingga menghasilkan ATP dari ADP + Pi dan reduksi O2 menjadi H2O. Ketiga mekanisme itu adalah: (1) sintesis ATP dari ADP + Pi, dikatalisis oleh kompleks ATPase yang terdapat pada permukaan dalam membran-dalam mitokondrion(Gambar4.10); (2) mekanisme pengangkutan elektron sepanjang rantai pernafasan, yang juga terdapat dalam membran-dalarn mitokondrion; dan (3) suatu mekanisme yang berperan dalam merangkaikan kedua mekanisme tersebut di atas. Proses pengangkutan elektron dan sintesis ATP rnasing-masing telah diuraikan secara mendalam pada beberapa pasal sebelumnya dari bab ini , Mekanisme rnolekuler terbentuknya ATP (khususnya pembentukan energi ikatan fosfat) dari ADP + Pi yang didorong oleh energi pengangkutan elektron sepanjang rantai pernafasan, pada masa kini masih merupakan hal yang belum jelas. Namun pada umumnya, dikemukakan adanya tiga hipotesis mengenai mekanisrne fosforilasi bersifat oksidasi tersebut, yaitu hipotesis perangkaian secara himia, peranghaian dengan perubahan konformasi, dan perangkaian osmose kimia. Hipotesis perangkaian secara kimia. Teori mekanisme ini merupakan hipotesis yang pertama kali dikemukakan. Menurut hipotesis ini reaksi pengangkutan elektron yang menghasilkan energi dirangkaikan dengan reaksi yang membutuhkan energi dari pembentukan ATP dari ADP + Pi, melalui senyawa kimia-antara yang umum seperti halnya tahap reaksi glikolisis yang dikatalisis oleh enzim gliseraldehidafosfat dehidrogenase.

3-fosfogliseraldehida + NAD+ + Pi 3-fosfogliseroil fosfat + NADH + H+

3 -fosfogliseroil fosfat + ADP 3-fosfogliserat + ATP

Dalam reaksi di atas energi yang dihasilkan oleh oksidasi gugus aldehida menjadi gugus karboksilat, disimpan sebagai senyawa-antara, 3-fosfogliseroil fosfat. Selanjutnya bentuk energi kimia ini diberikan ke ADP menghasilkan ATP dan 3-fosfogliserat. Dengan demikian terjadilah mekanisme perangkaian dua reaksi secara kimia. Hipotesis ini 'memberikan penjeJasan suatu mekanisme yang relatif sederhana, namun menunjukkan adanya dua kekurangan. Pertama, senyawa antara berenergi tinggi yang ada dalam hipotesis tersebut sampai kini belum dapat diisolasi. Kedua, mekanisme yang sederhana ini dapat berlangsung tanpa adanya rnembran sel, sehingga mekanisme fosforilasi bersifat oksidasi yang memerlukan

keterlibatan rantai pernafasan (yang berlokasi dalam membran mitokondrion) tidak dapat diterangkan secara terperinci dan mendalam oleh hipotesis ini.

Hipotesis perangkaian dengan cara perubahan konformasi. Mekanisme hipotesis ini didasarkan pada terjadinya pemindahan energi yang dihasilkan oleh proses pengangkutan elektron ke bentuk energi lain, yaitu perubahan konformas molekul pembawa elektron dalam rantai pernafasan. Perubahan ini khususnya menyangkut perubahan konformasi faktor perangkai, F1 – ATPase, yang berperan dalam merangkaikan reaksi pernbentukan ATP dari ADP + Pi dengan proses pengangkutan elektron. Dengan demikian dihasilkan suatu konformasi berenergi tinggi, yang selanjutnya akan mendorong reaksi pembentukan ATPdari ADP + Pi, dan secara serempak konformasi molekul tersebut berubah kembali ke keadaan semula (konforrnasi berenergi rendah). Mekanisme hipotesis ini dijelaskan dengan skema Gambar 4-11

Gambar: Hipotesis perangkat perubahan konformasi

Ada dua kenyataan yang menunjang hipotesis ini. Pertama, terjadinya perubahan fisik (atau struktur) membran mitokondrion pada waktu elektron mengalir melalui rantai pernafasan. Kedua, terjadinya perubahan ultra-struktur mitokondrion yang sedang mengalami pernafasan segera setelah penambahan ADP.Hipotesis perangkaian secara osmose kimia. Berbeda dari kedua hipotesis lain-nya, hipotesis ini tidak membenarkan terjadinya suatu senyawa kimia-antara yang berperan dalam merangkaikan reaksi eksergonik dan endergonik, melainkan mengemukakan terbentuknya suatu keadaan-antara yang berenergi tinggi yang merangkaikan kedua reaksi tersebut. Keadaan-antara ini merupakan suatu perbedaan elektrokimia dari ion H+ antara bagian dalam dan luar rnembran-dalam mitokondrion yang dihasilkan oleh proses pengangkutan elektron melalui rantai pernafasan. Selanjutnya, keadaan-antara yang berenergi tinggi tersebut mendorong reaksi endergonik pembentukan ATP dari ADP + Pi. Dalam hipotesis ini, membran merupakan bagian yang terangkum dalam mekanisme perangkaian

untuk berlangsungnya proses fosforilasi bersifat oksidasi. Dalam hal ini molekul protein pembawa elektron berperan sebagai sistem pengangkutan aktif, atau

.

suatu sistem pompa yang mengangkut ion H+ dari bagian dalam (matriks) mitokondrion ke luar membran sedemikian rupa sehingga terjadi kelandaian konsentrasi ion H+ antara kedua bagian yang dipisahkan oleh membran tersebut. Perbedaan konsentrasi H+ mendorong pembentukan ATP dengan cara dehidratasi ADP + Pi, seperti gambar di atas.Gambar di atas menunjukkan mekanisme pemompaan ion H+ (proton) dari bagian dalarn ke bagian luar membran-dalam mitokondrion. Dalam hal ini ditunjukkan tiga tahap reaksi pengangkutan elektron yang rnasing-masing melepaskan 2 H+ ke arah luar, dan tiga tahap yang rnenarik 2 H+ dari matriks mitokondrion, sedemikian rupa sehingga dihasilkan suatu keadaan bagian luar rnenjadi lebih asam sedangkan bagian dalam menjadi lebih basa (Gambar b). Keadaan terbentuknya kelandaian H+ ini adalah suatu keadaan-antara berenergi tinggi. Gambar c menunjukkan bagaimana kelandaian H+ yang dihasilkan oleh pengangkutan elektron sepanjang rantai pernafasan rnendorong proses fosforilasi ADP + Pi yang diikat oleh kompleks ATPase (khususnya gugus aktif dari ATPase yang disebut F1 ATPase) pada membran mitokondrion. Konsentrasi OH- yang tinggi di bagian dalam mitokondrion menarik H+ dari ADP + Pi, sedangkan kensentrasi H+ yang tinggi di luar menarik OH- sedemikian rupa sehingga terjadi pernbentukan ATP dari ADP + Pi pada membran.

(a)Proses pengangkutan elektron mengakibatkan mengalirnya ion H+ ke luar melalui membran dalam mitokondrion, sehingga terjadi kelandaian H+

(b)Gradien H+ yang terjadi di antara membran me-rupakan suatu keadaan berenerg tinggi yang ter-jadi dari pengangkutan energi pengubahan elek-tron

(c) Kelandaian H+ merupakan tenaga dorong terjadinya proses fosforilasi ADP + Pi menjadi ATP. Dalam hal ini, ion OH-

dalam mitokondrion, menarik H+

dari pusat aktif ATPase ke arah dalam, sedangkan H+ yang ada di luar menarik OH- dari pusat aktif tersebut ke arah luar.

Hal yang penting dari hipotesis perangkaian osmose kimia adalah terlibatnya mekanisme reaksi kimia yang bervektor, yaitu mengikuti kelandaian H+ yang mengarah dari luar ke dalam melalui membran mitokondrion. Jadi berbeda dari reaksi kimia biasa yang tak berarah atau skalar, yang bisa terjadi dalam suatu larutan homogen. Terjadinya kelandaian H+ yang berarah ke dalam dimungkinkan karena susunan yang khas dari rnolekul protein pembawa elektron sedemikian rupa hingga proses penarikan H+ oleh rantai pernafasan terjadi pada permukaan-dalam membran, dan pelepasan H+ berlangsung pada permukaan-luar membran seperti gambar berikut ini.

Mekanisme reaksi vektor proses fosforilasi bersifat oksidasi. Perana n F1 ATPase dalam pembentukan ATP yang dirangkakan dengan aliran ke dalam dari H+ yang terbentuk oleh proses pengangkutan elektron dalam rantai pernafasan.