BAB I Pendahuluan
1.1 Latar Belakang Masalah Dalam sebuah sel, terdapat banyak organel yang saling terkoneksi satu sama lain dan saling bekerja sama untuk menghidupkan sel tersebut dan menjaga keberlangsungan keberlangsungan sel tersebut. Salah satu dari organel tersebut adalah mitokondria, yakni organel yang berperan penting dan bertanggung jawab dalam respirasi aerob, yakni pembentukan energy dalam bentuk ATP. Pembentukan ATP ini sendiri terdiri dari beberapa tahap, yakni glikolisis, siklus Krebs, serta transpor t ranspor elektron. Berdasarkan latar belakang inilah, penulis membuat makalah ini yang mengenai struktur, fungsi, dan cara kerja mitokondria, untuk mendeskripsikan lebih jauh mengenai mengenai mitokondria. mitokondria. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang belakang yang telah ada di atas, dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut: 1. Bagaimanakah struktur dari Mitokondria? 2. Apakah fungsi dari mitokondria? 3. Bagaimanakah cara kerja mitokondria? 1.3 Tujuan Makalah ini sendiri bertujuan untuk: 1. Mendsekripsikan Mendsekrips ikan bagian-bagian dari mitokondria. mitokondri a. 2. Mendeskripsikan Mendeskripsikan fungsi dari mitokondria. 3. Menjelaskan mekanisme/cara mekanisme/cara kerja mitokondria dalam sel. 1.4 Metode Penelitian Dalam pengerjaan makalah ini, penulis menggunakan metode penelitian studi pustaka melalui beberapa buku referensi dan sumber-sumber dari internet yang dapat dipercaya.
1
BAB II STRUKTUR MITOKONDRIA
2.1. Struktur Mitokondria Sitoplasma yang terdapat di dalam hampir semua sel-sel eukariotik memiliki mitokondria, meskipun terdapat pengecualian, yakni pada protista Chaos (Pelomyxa) carolinensis . Mitokondria secara khusus banyak terdapat di dalam sel dan bagian-
bagian sel yang berkaitan dengan proses-proses aktif. Sebagai contoh, dalam protozoa berflagel atau di dalam sperma mamalia, mitokondria terkonsentrasi di dasar flagelum atau flagela. Pada otot jantung, mitokondria mengelilingi bagian-bagian otot yang berkontraksi. Dengan demikian, berdasarkan persebarannya, dapat diketahui bahwa mitokondria ikut terlibat dalam produksi energi dalam tubuh. Mitokondria memiliki diameter sekitar 0.5-1 µm hingga 7 µm. Bentuk dan jumlah mitokondria yang ada dalam sebuah sel bergantung pada jaringan tertentu. Mitokondria dapat berbentuk seperti lingkaran, batang maupun badan berserabut. Namun struktur umumnya tetaplah sama. Jumlah mitokondria dalam tiap sel bervariasi bergantung pada energi yang dibutuhkan. Jaringan-jaringan yang melakukan fungsi metabolisme aerob seperti otot rangka dan otot lambung memiliki jumlah mitokondria lebih banyak daripada jaringan lainnya.
Gambar 2.1.1 Diagram 2 dimensi mitokondria (sumber: Ivy-Rose.co.uk ) Mitokondria memiliki dua membran, masing-masing tersusun oleh fosfolipid bilayer. Kedua membran tersebut memiliki perbedaaan pada wujud serta sifat fisis dan kimiawinya. Hal inilah yang membedakan fungsi masing-masing membran tersebut pada mitokondria. Membran luar mengelilingi struktur mitokondria secara keseluruhan. 2
Membran dalam mengelilingi matriks yang berisi cairan dan membentuk lekukanlekukan ke dalam matriks yang disebut krista ( cristae, tunggal: crista). Krista-krista tersebut dapat memperbesar permukaan membran dalam sehingga terbentuk daerah antara membran luar dan membran dalam, ruang intermembran. Membran dalam memegang peranan penting mitokondria yaitu fosforilasi oksidatif.
Gambar 2.1.2 Chemiosmosis dalam ruang intermembran (sumber:http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/C/CellularRespiration.h tml) Membran dalam dan membran luar tersusun atas komposisi fosfolipid dan perbandingan protein terhadap lemak yang berbeda. Untuk membran luar, perbandingan protein-lemak adalah 50:50, dan protein yang ada memiliki sedikit fungsi enzimatik atau transport. Sedangkan pada membran dalam, perbandingannya adalah 80:20. Membran luar mitokondria memiliki protein integral pada membran, disebut porin, yang membentuk saluran permeabel untuk memfasilitasi berbagai macam molekul keluar masuk mitokondria. Molekul-molekul sebesar 10 kilodalton bahkan kurang dari itu, seperti ion, molekul nutrisi, ATP, dan ADP dapat dengan mudah melewati membran luar. Membran dalam mengandung 5 kelompok protein integral membran, yaitu: 1. NADH dehidrogenase, 2. Suksinat dehidrogenase, 3. Sitokrom c reduktase (juga dikenal sebagai sitrokom b-c), 4. sitokrom c oksidase, 5. ATP sintase. Membran dalam mitokondria tidak terlalu permeabel dibandingkan dengan membran luar, karena itu membran dalam dapat mendegradasi molekul-molekul yang masuk melalui pemisahan matriks dari lingkungan sitosolik. Terdapat beberapa sistem antiport
3
pada membran dalam yang menyebabkan pertukaran anion dengan sitosol dan matriks mitokondria. Beberapa contohnya adalah phospate-OH - exchanger, the adenine nucleotide translocase,
mono-, di- and tricarboxylate carriers, dan the
aspartate-glutamate shuttle.
2.2. Definisi Bagian-bagian Mitokondria Berikut akan dilampirkan tabel definisi bagian-bagian pada mitokondria untuk pemahaman lebih jauh. Tabel 2.1.1 Definisi bagian-bagian pada mitokondria No. Bagian
Definisi
1
Membran luar mitokondria bersifat permeabel
Membran Luar
terhadap oksigen, piruvat, dan molekul-molekul lainnya. Ketebalan: tebal lapisan luar sekitar 40 Å = 4 nm 2
Membran Dalam
Bagian-bagian yang menyusun membran dalam disebut krista terlapisi oleh banyak partikel-partikel kecil, bulatan-bulatan membran dalam, yang mana bagian kepala terletak pada daerah matriks pada membran dalam. Kebanyakan reaksi kimia yang terjadi pada mitokondria berlangsung di membran dalam. Terdapat sistem transpor elektron dan ATPase complex di dalamnya:
Sistem transpor elektron – menghasilkan gradien proton
ATPase complex – menggunakan gradien proton untuk memproduksi ATP dari ADP
Membran dalam merupakan tempat fosforilasi oksidatif. Ketebalan:
Tebalnya
hampir
sama
membran luar yakni sekitar 40 Å = 4 nm.
4
dengan
3
Ruang Intermembran
Ruang antara membran luar dan membran dalam memiliki konsentrasi proton yang tinggi disebabkan sistem transpor elektron pada membran dalam.
4
Krista
Kuantitas dan bentuk krista dapat bervariasi. Stalked
particles atau
disebut juga bulatan
membran dalam ( inner-membrane sphere): Kepala, bagian “sphere”, berada pada sisi
matriks membran dalam – berseberangan dengan ruang intermembran.
Setiap inner-membrane sphere memiliki: Kepala atau “sphere” berdiameter 8 -
9 nm Stalk dengan lebar 30-35 Å dan
panjang 45-50 Å.
Memiliki protein F1 dan F0
Inner membrane sphere memiliki peranan penting
pada produksi ATP dalam mitokondria.
5
Matriks Mitokondria a. Enzim
Matriks
meitokondria
mengandung
campuran
raturan enzim berkonsentrasi tinggi. Termasuk enzim-zenzim yang terlibat dalam siklus Krebs, kecuali dehidrogenase suksinat yang terletak pada
5
permukaan membran dalam. b. Ribosom
Ribosom di dalam mitokondria merupakan tipe 70S – seperti pada sel-sel prokaryot (bakteri), berbeda
dengan tipe 80S yang ada pada banyak sel tumbuhan
dan
hewan.
Ribosom
ini
dapat
mensintesis protein. Mitokondria memiliki materi genetiknya sendiri c. DNA mitokondria
serta kemampuan untuk memproduksi RNA dan protein. Semua DNA mitokondria merupakan induk. DNA mitokondria membawa gen penting untuk hampir semua sintesis protein mitokondria.
6
BAB III FUNGSI DAN CARA KERJA MITOKONDRIA
3.1. Fungsi dan Cara Kerja Mitokondria Mitokondria berfungsi sebagai tempat respirasi sel atau pembangkit energi. Mitokondria mempunyai enzim yang dapat mengubah energi potensial dari makanan kemudian disimpan dalam bentuk ATP. ATP inilah yang merupakan sumber energi atau bahan bakar untuk melakukan proses kegiatan dalam kehidupan. Mitokondria berada di sel yang banyak melakukan aktivitas kerja. Misalnya jika seorang olahragawan melakukan aktivitas berolahraga, maka bagian tubuh yang paling aktif bekerja adalah otot. Otot akan selalu berkontraksi ketika seseorang bergerak. Bahkan, ketika seorang manusia tertidur pun sel selalu melakukan pemecahan ATP. Kegunaan ATP yaitu sebagai energi yang digunakan untuk mengganti sel-sel yang rusak, memompa jantung, dan lainnya. Mitokondria banyak terdapat pada bagian tubuh antara lain otot, hati, jantung, ginjal, karena bagian tubuh tersebut paling aktif melakukan kerja dan menghasilkan energi. Kematian Sel-Terprogram
Kematian sel dapat terjadi baik diantaranya akibat luka (terpapar racun), kerusakan mekanis, atau proses yang diperintahkan yang disebut “kematian sel terprogram” atau apoptosi. Apoptosis terjadi ketika perkembangan organisme
menimbulkan hal yang tidak diinginkan, yaitu kelebihan sel. Kematian sel terprogram juga terjadi sepanjang infeksi virus, terapi kanker, atau respon imun terhadap penyakit. Apoptosis atau kematian sel-terprogram merupakan fungsi lain mitokondria. Dalam keadaan normal, produksi ATP sama dengan penggunaan oksigen. Sedangkan dalam keadaan abnormal, seperti demam, kanker, stroke, atau ketika disfungsi terjadi dalam mitokondria, oksigen dibutuhkan lebih banyak dari kadar normal yang digunakan untuk membentuk ATP. Akibat kelebihan oksigen, ( yang tidak “berpasangan” membentuk ATP) mitokondria menghasilkan oksigen yang sangat reaktif, yang disebut radikal bebas. Saat produksi radikal bebas melampaui kemampuan mitokondria untuk mendetoks mereka, radikal bebas tersebut merusak fungsi mitokondria dengan mengubah 7
mtDNA (DNA mitokondria), protein, dan membran. Begitu proses ini berlanjut, hal ini akan menginduksi sel untuk menjalankan apoptosis. Kematian sel yang abnormal disebabkan disfungsi mitokondria bisa mengganggu kinerja organ. Fungsi spesifik sel
Fungsi lain mitokondria berhubungan dengan tipe sel yang ditemukan. Mitokondria terlibat dalam pembentukan, perombakan, dan daur ulang produkproduk yang dibutuhkan untuk fungsi sel yang pas/sesuai. Seperti pada pembentukan beberapa blok DNA dan RNA yang terjadi dalam mitokondria. Mitokondria juga terlibat dalam membentuk bagian-bagian darah dan hormon seperti estrogen dan testosteron. Mitokondria dibutuhkan untuk metabolisme : kolesterol, neurotransmitter, dan detoksifikasi ammonia dalam siklus urea. Oleh karena itu, jika mitokondria tidak berfungsi secara baik, tidak hanya produksi energi tapi fungsi spesifik sel juga akan terpengaruh. 3.2. Respirasi Aerob dan Pembentukan ATP pada Mitokondria Dalam mitokondria, pembentukan ATP dari ADP secara tidak langsung terjadi karena kecenderungan O 2 secara termodinamika untuk tereduksi, dan proses ini disebut fosforilasi oksidatif. Seperti pada kloroplas, fosforilasi dikatalisis oleh perangkat sintesis ATP. Sintesis ATP pada mitokondria memiliki tangkai dan pentul seperti pada sintesis tilakoid, dan melintasi membran dalam. Pentulnya menghadap ke matriks, sedangkan tangkainya menuju ruang antar membran dalam dan membran luar. ATP dibentuk pada pentul di dalam matriks, kemudian diangkut menuju sitosol oleh transport balasan dengan ADP berikutnya. ATP kemudian dipindah dengan melintasi membran luar yang jauh lebih permeable menuju sitosol, dimana ATP menjalankan berbagai fungsinya. Membran luar mempunyai porin, saluran yang mengalirkan molekul dengan bobot molekul kurang dari sekitar 5 kDa, sehingga nukleotida dan berbagai metabolit lainnya dapat melewati membran tersebut dengan mudah.
8
Gambar 3.1.1. Sintesis ATP (Sumber: http://www.sentra-edukasi.com/2010/04/strukturdan-peranan-bagian-bagian-sel.html) Proses respirasi aerob yang terjadi pada mitokondria secara singkat reaksinya yang terjadi adalah sebagai berikut: C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 36 ATP
Respirasi aerob pada mitokndria sendiri terjadi dalam tiga tahap, yakni glikolisis, siklus Krebds, dan transpor electron. 3.2.1. Glikolisis Glikolisis merupakan langkah pertama dalam tahap respirasi aerob mitokondria. Glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel, dan terjadi sebelum masuk ke dalam mitokondria itu sendiri. Pada tahap glikolisis, terdapat dua langkah reaksi, yakni langkah memerlukan energi dan langkah melepaskan energi. Pada langkah memerlukan energi, 2 molekul ATP diperlukan untuk mentransfer gugus fosfat ke glukosa sehingga glukosa memiliki simpanan energi yang lebih tinggi, yang nantinya akan digunakan pada langkah pelepasan energi. Secara umum, reaksi glikolisis adalah reaksi pelepasan energi yang memecah 1 molekul glukosa (C 6H12O6) ataupun monosakarida yang lain menjadi 2 molekul asam piruvat, 2NADH
9
(Nicotinamide Adenine Dinucleotide H), dan 2 ATP. Berikut penulis lampirkan gambar mengenai glikolisis untuk memudahkan pemahaman.
Gambar 3.2.1. Tahap Glikolisis (sumber: staff.jccc.net/pdecell/cellresp/glycolisis.gif)
3.2.2. Siklus Krebs Siklus Krebs merupakan tahap kedua dari respirasi aerob. Siklus Krebs dikenal pula dengan nama lainnya, yakni siklus asam sitrat. Langkah-langkah reaksi siklus krebs adalah sebagai berikut. a. Asam piruvat hasil glikolisis masuk ke dalam mitokondria.
10
b. Asam piruvat melepaskan gugus karboksil dalam bentuk CO2. Asam piruvat juga memberikan hydrogen dan electron kepada NAD+ , sehingga membentuk NADH. Selanjutnya koenzim bergabung dengan sisa 2 atom karbon dari asam piruvat dan membentuk asetil-KoA. c. Asetil-KoA mentransfer 2 atom karbonnya ke oksaloasetat membentuk sitrat. Koenzim A dilepaskan dari Asetil KoA. Setelah itu, adanya penambahan dan pelepasan H 2O mengubah sitrat menjadi asam isositrat. d. Asam isositrat kemudian melepaskan gugus karboksil dalam bentuk CO2 dan terbentuk asam α-ketoglutarat. Hidrogen dan electron ditansfer kepada NAD, membentuk NADH. e. Asam α-ketoglutarat melepaskan gugus karboksil dalam bentuk CO2, dan NADH terbentuk. Asam α-ketoglutarat kemudian berikatan dengan molekul koenzim A, membentuk suksinil-KoA. f. Koenzim A dilepaskan dan digantikan oleh fosfat (berasal dari GTP). Fosfat terikat pada ADP membetuk ATP. SuksinilKoA berubah menjadi asam suksinat. g. Elektron dan hydrogen dari asam suksinat ditransfer ke FAD membentuk FAD2, Asam suksinat berubah menjadi asam fumarat. h. Asam fumarat menggunakan H2O membentuk asam malat. Asam malat mentransfer hydrogen dan electron ke NAD+ membentuk NADH. Asam malat berubah menjadi asam oksaloasetat yang akan digunakan pada siklus krebs selanjutnya. Dari rekasi-reaksi yang telah dijabarkan diatas, dapat disimpulkan bahwa selama siklus Krebs dilepaskan 3 molekul karbon dioksida, 4 NADH, 1 FADH 2, dan 1 ATP. Sementara itu, selama proses ini berlangsung, dihasilkan 8 NADH, 2 FADH 2, dan 2 ATP. Perlu diketahui bahwa reaksi siklus Krebs terjadi sebanyak dua kali untuk setiap glukosa yang di reaksikan pada tahap glikolisis, karena pada tahap glikolisis, satu molekul glukosa diubah menjadi dua molekul asam piruvat.
11
Gambar 3.2.2. Siklus Krebs (Sumber: http://www. library.thinkquest.org/C004535/media/kreb_cycle.gif) 3.2.3. Transpor Elektron Transpor electron terjadi di bagian membrane dalam mitokondria. NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari siklus Krebs dan glikolisis memberikan elektron dan H + ke system transport elektron, yang menyebabkan H+ dipompa ke luar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membrane dalam mitokondria menimbulkan gradient elektron antara bagian luar dan bagian dalam membran dalam mitokondria. Akibatnya, ion H+ kembali menuju bagian dalam membrane dalam mitokondria melalui ATP sintase. ATP sintase merupakan protein yang menempel di membran dalam mitokondria. Aliran H+ melalui protein transport
12
ini memacu pembentukan ATP, ADP, dan fosfat. Oksigen bebas menjaga pembentukan ATP terus berjalan, yaitu dengan menerima elektron yang dilepaskan pada akhir system transport elektron. Oksigen akan bergabung dengan H + membentuk air. ATP yang dihasilkan dalam tahap ini adalah 32 ATP. Berikut adalah daur transpor electron secara singkat.
Gambar 3.2.3. Proses Transpor Elektron (sumber: academic.brooklyn.cuny.edu/biology/biof4/page/ele-tr.gif) 3.3. Metabolisme pada Mitokondria Selama katabolisme aerob berlangsung, NADH terbentuk di dalam sitoplasma. Sel harus mempunyai suatu cara yang memungkinkan secara tidak langsung reoksidasi dari tambahan mitokondria NADH oleh rantai pernafasan, sebab dari efek Pasteur dijelaskan bahwa pengumpulan asam laktat berhenti apabila oksigen mulai tersedia bagi proses anaerob fakultatif. Reoksidasi NADH sitoplasma dilakukan oleh sistem ulang alik (shuttle). Terdapat dua sistem shuttle primer yang bekerja, yaitu : shuttle gliserol fosfat dan shuttle malat. Keduanya melayani pengaturan jumlah NADH di dalam sitoplasma. Selain sistem shuttle dan pernafasan, terdapat bukti bahwa NADH dapat direoksiodasi menjadi NAD + menurut reaksi transhidrogenase : NADP + + NADH → NADPH + NAD+
13
BAB IV KESIMPULAN
Dari pembahasan yang telah kelompok penulis buat, kami menyimpulkan beberapa hal yang akan kami jabarkan dalam bentuk poin. 1. Mitokondria terdapat di hampir seluruh sel eukariotik, kecuali pada protista Chaos (Pelomyxa) carolinensis .
2. Mitokondria secara khusus banyak terdapat di dalam sel dan bagian-bagian sel yang berkaitan dengan proses-proses aktif. Mitokondria banyak terdapat pada
14
bagian tubuh antara lain otot, hati, jantung, ginjal, karena bagian tubuh tersebut paling aktif melakukan kerja dan menghasilkan energi. 3. Bagian-bagian mitokondria terdiri dari membrane dalam, mebran luar, ruang inter membrane, Krista, dan matriks mitokondria (enzim, ribosom, dan DNA mitokondria). 4. Mitokondria berfungsi sebagai tempat respirasi sel atau pembangkit energi (pembentukan ATP). 5. Tahap-tahap respirasi aerob mitokondria terdiri dari glikolisis, siklus Krebs, dan transport elektron. 6. Kegunaan ATP yaitu sebagai energi yang digunakan untuk mengganti sel-sel yang rusak, memompa jantung, dan lainnya. 7. Reoksidasi NADH sitoplasma selama proses respirasi aerob mitokondria dilakukan oleh sistem ulang alik (shuttle). Terdapat dua sistem shuttle primer yang bekerja, yaitu : shuttle gliserol fosfat dan shuttle malat.
15
DAFTAR PUSTAKA
http://www.ivy-rose.co.uk/Biology/Organelles/Structure-of-Mitochondria.php diakses pada 29 September 2013, 2.05 PM http://www.mcgraw-hill.co.uk/he/chapters/9780071102087.pdf diakses pada 29 September 2013, 1.46 PM http://www.med.ufro.cl/clases_apuntes/cs_preclinicas/mgfisica-medica/sub-modulo-1/Mitochondria.pdf diakses pada 29 September 2013, 2.32 PM http://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/studies/mitochondria/mitotheory.html diakses pada 29 September 2013, 5.21 PM http://www.sentra-edukasi.com/2010/04/struktur-dan-peranan-bagian-bagian-sel.html diakses pada 29 September 2013, 3:51 PM http://www.sith.itb.ac.id/profile/pdf/iriawati/bahan-kuliah/bahan-2/STRUKTUR-DANFUNGSI-MITOKONDRIA.pdf diakses pada 29 September 2013, 1.42 PM
16
