Mekanisme Fosforilasi Oksidatif

Yeti Febrina 13015020

Mekanisme Fosforilasi Oksidatif

Fosforilasi oksidatif merupakan lintasan metabolisme untuk menghasilkan energi berupa ATP, yaitu dengan menggunakan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien. Lintasan ini merupakan cara yang paling efisien dalam menghasilkan energi dibandingkan dengan proses fermentasi dan glikolisis anaerob. Proses ini terjadi di dalam mitokondria. NADH dan FADH2 hasil dari siklus asam sitrat merupakan bahan bakar dalam proses fosforilasi oksidatif yang bekerja di mitokondria. Dalam hal ini tiga molekul ATP dihasilkan untuk setiap pasang elektron yang dibawa dari NADH ke Oksigen atau dua ATP untuk pengangkutan elektron dari Ubikuinon ke Oksigen. Sehingga tiap substrat yang melepaskan elektronnya ke NADH akan menghasilkan tiga ATP dan mereduksi satu atom oksigen, sehingga perbandingan P terhadap O (harga P/O) untuk substrat ini adalah 3. Proses fosforilasi oksidatif pada rantai pernafasan terdiri dari tiga mekanisme yang masing-masing berdiri sendiri, namun ketiganya terkoordinasi sedemikian rupa sehingga menghasilkan ATP dari ADP + Pi dan reduksi O2 menjadi H2O. Ketiga mekanisme itu adalah: 1) sintesis ATP dari ADP + Pi dikatalis oleh kompleks ATPaseyang terdapat pada permukaan dalam membran-membran mitokondria. 2) mekanisme pengangkutan elektron sepanjang rantai pernafasan, yang juga terdapat dalam membran dalam mitokondira. 3) suatu mekanisme yang berperan dalam merangkaikan kedua mekanisme tersebut diatas. Proses yang terjadi adalah sebagai berikut : NADH dan FADH2 dioksidasi

 melepaskan

elektron ke RTE



melewati serangkaian

senyawa pembawa elektron,  energi yang dilepaskan digunakan untuk memompa ion H+



terjadi gradien ion H+ (proton motive force) yang menggerakkan pembentukan ATP oleh enzim syntahse. Molekul O2 sbg penerima elektron terakhir ATP

 terbentuk

H2O dengan menghasilkan


Gambar 1. Mekanisme Fosforilasi Oksidatif

Mekanisme molekuler 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 belu m jelas. Namun demikian dikemukakan adanya tiga hipotesis mengenai mekanisme fosforilasi bersifat oksidatif tersebut yaitu hipotesis perangkaian secara kimia, perangkaian dengan perubahan konformasi, perangkaian kemiosmotik. 1. Hipotesis perangkaian kimia

Teori mekanisme ini merupakan hipotesis yang pertama kali dikemukakan “Edward Slater” (1953) & “Lehninger (1967)”. (1967)”. 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.

Reaksi yang terjadi : 3-fosfogliseraldehida + NAD+ + Pi

 3-fosofogliseriol

3-fosofogliseriol fosfat + ADP

fosfat+NADH + H +

 3-fosogliserat

+ ATP


Dari reaksi diatas energi yang dihasilkan oleh oksidasi gugus aldehida menjadi gugus karboksilat disimpan sebagai senyawa antara, 3-fosfogliserol fosfat. Selanjutnya bentuk energi kimia ini diberika ke ADP menghasilkan ATP dan 3-fosfogliserat. Dengan demikian terjadilah mekanisme perangkaian dua reaksi secara kimia.

Berdasarkan gambar 16.13, pembawa elektron tereduksi pada rantai pernafasan (misalnya, AH2) bereaksi dengan oxidised carrier (misalnya (misalnya B) yang berdekatan dengan penurunan energi bebas yang terjadi untuk membuat reaksi A dengan senyawa C yang tidak diketahui menghasilkan senyawa peralihan energi tinggi non terfosforilasi A ~ C. B dikurangi menjadi BH2. Dalam reaksi pertukaran sekuensial berikutnya, C ditransfer ke fosfat untuk membentuk zat antara C ~ P yang terfosforilasi. Pembawa elektron A menjadi bebas dan teroksidasi. Akhirnya, fosfat dari C ~ P dipindahkan ke ADP untuk memberi ATP. Senyawa C yang tidak diketahui bebas dan di recycle lagi. Hipotesis ini memberikan penjelasan 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 membran sel, sehingga mekanisme fosforilasi bersifat oksidasi yang memerlukan keterlibatan rantai pernafasan (yang berlokasi dalam membran mitokondria) tidak dapat diterangkan secara terperinci dan mendalam oleh hipotesis ini.

2. Hipotesis perangkaian dengan cara perubahan konformasi

Teori ini pertama kali dikemukakan oleh Boyer pada tahun 1964. Mekanisme hipotesis ini didasarkan pada terjadinya pemindahan energi yang dihasilkan oleh proses pengangkutan


elektron ke bentuk energi lain, yaitu perubahan konformasi molekul pembawa elektron dalam rantai pernafasan. Boyer menyarankan bahwa perubahan konformasi pada pembawa elektron mungkin membawa kelompok karboksil dan sulfidril yang sangat berdekatan satu sama lain untuk membentuk ikatan asil-s (Gambar 16.14 A) dan bahwa ini adalah 'perantara energi tinggi' yang dapat mendorong ATP perpaduan. Berdasarkan teori coupling conformation Green conformation Green and Ji (1972) telah memberikan teori copling elektro-mekanokimia yang mempertimbangkan perubahan konformasi pada kompleks enzim daripada pada masing-masing operator. Menurut model mereka, pengangkutan elektron membawa perubahan konformasi di salah satu kompleks transpor elektron dalam bentuk komponen regangan mekanis dan elektrik. Perubahan mekanik dan listrik serupa pada gilirannya diinduksi di Kompleks ATPase. Perubahan konformasi sebaliknya sekarang mengarah pada sintesis ATP dari ADP + Pi dengan proses pengangkutan elektron. Dengan demikian dihasilkan suatu konformasi berenergi tinggi, yang selanjutnya akan mendorong reaksi pembentukan ATP dari ADP + Pi dan secara serempak konformasi molekul tersebut berubah kembali ke keadaan semula (konformasi berenergi rendah). Ada dua kenyataan yang menunjang hipotesis ini. Pertama, terjadinya perubahan fisik (atau struktur) membran mitokondria pada waktu elektron mengalir melalui rantai pernafasan. Kedua, terjadinya perubahan ultra-struktur mitokondria yang sedang mengalami pernafasan segera setelah penambahan ADP. Walaupun teori coupling conformational cukup atraktif namun kesulitan utama dengan teori ini adalah masalah menyiapkan eksperimen untuk mengujinya.


3. Hipotesis perangkaian secara kemiosmotik Berbeda dari kedua hipotesis lainnya, 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 tinggi yang merangkaikan kedua reaksi tersebut. Keadaan-antara ini merupakan suatu perbedaan elektrokimia dari ion H+ antara bagian dalam dan luar membran dalam mitokondria yang dihasilkan oleh proses pengangkutan elektron melalui rantai pernafasan. Selanjutnya keadaanantara yang bernergi tinggi tersebut mendorong reaksi endergonik pembentukan ATP dari ADP + Pi. Teori kemiosmotik adalah teori yang dikembangkan dari hipotesis kemiosmotik yang dicetuskan oleh peraih Nobel Peter Dennis Mitchell pada tahun 1961 sebagai hasil dari analisis ilmiah terhadap studi David Keilin pada sistem sitokrom, serta studi Warburg dan Wieland pada respiratory

hydrogen

carriers,

yang

kemudian

berkembang

menjadi

konsep

rantai

pernapasan.Teori ini berbunyi, ”Transpor elektron dan sintesis ATP digabungkan oleh gradien proton, dan bukan oleh media berenergi tinggi kovalen atau protein aktif”. aktif”. Teori ini paling meyakinkan dari ketiga teori tersebut untuk menjelaskan mekanisme fosforilasi oksidatif mitokondria. Hal ini juga berlaku untuk fotofosforilasi kloroplas. Hal yang penting dari hipotesis perangkaian kemiosmotik adalah terlibatnya mekanisme reaksi kimia yang bervektor yaitu mengikuti kelandaian H+ yang mengarah dari luar ke dalam melalui membran mitokondria. Jadi berbeda dari reaksi kimia biasa yang tak berarah atau skalar,


yang bisa terjadi dalam suatu larutan homogen. Terjadinya kelandaian H+ yang berarah kedalam dimungkinkan karena susunan yang khas dari molekul protein pembawa elektron sedemikian rupa hingga proses penarikan H+ oleh rantai pernafasan terjaid pada pemukaan dalam membran dan pelepasan H+ berlangsung pada permukaan luar membran. Bagian utama dari teori ini (Gambar 16.15) adalah membran yang mengandung reversibel ATPase. Membran adalah mitokondria dalam kasus fosforilasi oksidatif dan kloroplas dalam kasus fotofosforilasi. ATPase mengkatalisis reaksi berikut ini :

Reaksi ini diasumsikan anisotropik sehingga pusat aktif dapat diakses dengan H+ tapi tidak bisa untuk OH- dari sisi luar membran. Di sisi lain hanya bisa diakses dari OH- tapi tidak bisa untuk H+ dari sisi dalam membran. Pusat aktif diasumsikan relatif tidak dapat diakses oleh air dan membran hampir tidak lengket pada ion. Hal ini cukup jelas dari ATPase yang mengkatalisis reaksi reversibel bahwa penghilangan H+ dan OH- akan mendukung reaksi terhadap sintesis ATP. Menurut Mitchell H+ dan OH- dapat dihilangkan dengan rantai transpor elektron yang terikat membran dan pengoperasian ATPase dengan cara berikut: a. Oksidasi dari pembawa elektron berkurang misalnya, AH2 ke A dengan reduksi simultan O ke H2O yang menyebabkan akumulasi H+ pada sisi dalam dan OH- pada sisi luar membran. b. Akumulasi H+ ini di sisi dalam membran menarik OH- dari reaksi katalis ATPase. Demikian pula, akumulasi OH- pada sisi luar membran menarik H+ dari reaksi katalis ATPase. Jadi, ekuilibrium digeser untuk mendukung sintesis ATP (Gambar 16.15). Gaya dehidrasi yang mendorong reaksi katalis ATPase ke arah sintesis ATP berasal dari perbedaan potensial kimia dari OH- dan H+ yang melintasi membran.


Hipotesis Mitchell juga memprediksi adanya transporter membran atau pembawa difusi pertukaran spesifik yang telah terbukti benar. Pembawa ini mengizinkan pertukaran anion reversibel (misalnya CI-) untuk OH- dan kation (misalnya K +) untuk H+ dan mengatur pH dan diferensial osmotik melintasi membran. Sistem ini memungkinkan pergerakan metabolit esensial tanpa merusak potensial membran yang penting untuk reaksi katalis ATPase ke arah sintesis ATP. Hipotesis Mitchell bahwa oksidasi dan fosforilasi digabungkan oleh gradien proton didukung oleh banyak bukti: 1. Tidak ada hipotesis intermediet 'energi tinggi', yang menghubungkan transpor elektron dengan sintesis ATP, telah ditemukan sampai saat ini. 2. Fosforilasi oksidatif membutuhkan kompartemen tertutup, yaitu mitokondria bagian dalam. Membrsn harus dalam keadaan utuh. Lubang di membran dalam tidak memungkinkan fosforilasi oksidatif, meskipun transpor elektron dari substrat ke oksigen mungkin masih berlanjut. Sintesis ATP yang digabungkan ke transfer elektron juga tidak terjadi pada persiapan sel terlarut. 3. Membran mitokondria bagian dalam tidak kedap pada H+, K +, OH- dan Cl- ion. Jika membran dirusak agar bisa melewati ion tersebut dengan mudah, fosforilasi oksidatif tidak akan terjadi Namun, bukti yang ada menunjukkan adanya sistem transportasi tertentu yang memungkinkan ion menembus membran mitokondria bagian dalam. 4. Baik rantai pernapasan dan ATPase diatur secara vektori dalam membran kopling.


5. Sebuah gradien proton yang melintasi membran dalam mitokondria dihasilkan pada transpor elektron. pH di dalamnya adalah 1,4 unit lebih tinggi dari luar, dan potensial membrannya 0,14 V, bagian luar positif. Potensi elektrokimia total Δ p (dalam p (dalam volt) terdiri dari potensi potensial membran (Δψ) dan H+ gradien konsentrasi (Δ pH). pH). Mengambil R sebagai konstanta gas, T sebagai suhu absolut dan F sebagai kalor setara dengan Faraday, nilai potensi elektrokimia total Δ p dapat p dapat ditulis sebagai:

6. ATP disintesis saat pH gradien dikenakan pada mitokondria atau kloroplas pada saat tidak adanya transpor elektron 7. Fosforilasi oksidatif dapat diperiksa oleh uncouplers dan ionofor tertentu. Uncouplers seperti 2,4-dinitrophenol meningkatkan permeabilitas mitokondria, sehingga mengurangi potensi elektrokimia dan arus pendek sistem sintetase ATP vectorial untuk produksi ATP. 8. Penambahan asam ke media luar, pembentukan gradien proton, menyebabkan sintesis dari ATP.

Gambar 3. Mekanisme yang mungkin terjadi pada hipotesis kemiosmosis


Daftar Pustaka : Koratkar,

Sanjay.

Classical

Theories

of

Oxidative

Phosphorylation

|

Respiration. Respiration.

http://www.biologydiscussion.com/respiration/classical-theories-of-oxidative phosphorylation-respiration/23326.. Dibuka pada tanggal 17 September 2017 phosphorylation-respiration/23326 Lehninger AL, Wadkins CL. Oxidative phosphorylation. Ann. phosphorylation. Ann. Rev. Biochem. Biochem. 31 : 47-78, 1962. Voet dan Prat’s. 2013. Fundamental 2013. Fundamental of Biochemistri : Life at Molecular Level 4th edition.Wiley edition.Wiley


1. Respirasi Aerobik Proses katabolik yang yang menghasilkan ATP . Melibatkan lintasan metabolisme : a. Glikolisis Glikolisis merupakan merupakan tahap pertama dalam reaksi respirasi. Tahap ini berlangsung di dalam sitoplasma sel. Molekul Gukosa (6-karbon) dipecah menjadi 2 buah senyawa asam 3-karbon 3-karbon yaitu asam piruvat. Dari setiap setiap pemecahan satu ikatan karbon-karbon, dihasilkan energi

metabolik. Apabila tidak ada oksigen, asam

piruvat mengalami reaksi anaerob (fermentasi). Apabila terdapat oksigen yang cukup, asam piruvat bergerak ke dalam mitokondria masuk ke dalam Siklus Krebs.

b. Konversi piruvat menjadi asetil Ko-A (Asam piruvat (dari glikolisis) dioksidasi menjadi Asetil KoA)

 sebagai

substrat

awal Silkus Krebs dg menghasilkan 1 NADH. c. Siklus Krebs Siklus Krebs terjadi apabila ada oksigen dan berlangsung di dalam matriks mitokondria.

Asam piruvat dari reaksi glikolisis kehilangan CO2 , kemudian

bereaksi dengan

senyawa dengan 4-karbon (asam oksalo asetat) membentuk

senyawa dengan

6-karbon (asam sitrat). Asam sitrat mengalami pemecahan

menjadi senyawa asam dengan 5-karbon , kemudian menjadi senyawa asam dengan 4-karbon , megalami pemecahan ikatan karbon-karbon , melepaskan CO2 dan menhasilkan energi metabolik (ATP, NADH dan FADH2) untuk setiap


pemecahan. Senyawa asam dengan 4-karbon acid dibentuk kembali, dan siklus berlansung kembali. Siklus berjalan 2 kali untuk setiap 1 molekul glukosa (satu siklus untuk setiap 1 molelul asam piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis).

d. Rantai Transpor Elektron & Fosforilasi Oksidatif (S istem Sitokrom) Bentuk energi metabolik yang paling berguna bagi tanaman adalah ATP. Berbagai macam energi metabolik yang dihasilkan melalui Glikolisis dan siklus Krebs bergerak menuju membran dalam mitokondria. Di dalam membran mitokondria berlangsung rantai transpor elektron yang disebut sistem sitokrom, yang sangat mirip dengan rantai transpor elektron elektron pada Fotosintesis. Fotosintesis. Senyawa energi metabolik (NADH and FADH2) menyumbangkan elektronnya pada “electron transport carriers” dalam rantai transpor elektron,

dihasilkan gradien energi, dan enzim

pengahsil ATP (ATPase) . Oksigen berperan sebagai penangkap elektron terakhir dan bereaksi dengan ion H+ untuk menghasilkan air.


Proses yang terjadi secara keseluruhan adalah sekarang tanaman telah mengkonversi seluruh energi yang tersimpan dalam ikatan karbon-karbon dari glukosa kembali menjadi berbagai senyawa energi metabolik yang diperlukan untuk metabolisme. Tanaman dapat menggunaan NADH atau FADH2 baik secara langsung atau diubah dahulu menjadi ATP untuk keperluan metabolisme. Ingat, bentuk energi metabolik ini tidak mudah untuk disimpan disimpan atau di angkut, sehingga respirasi harus berlangsung di setiap sel dan harus berlangsung pada saat yang tepat yaitu pada saat energi metabolik diperlukan.


2. Respirasi Anaerobik Respirasi tanpa menggunakan oksigen dari luar, tetapi menggunakan senyawa anorganik yang ada dalam substrat sebagai sebagai akseptor elektron terakhir  Energi yang dihasilkan lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik. Senyawa- senyawa anorganik yang dapat digunakan sebagai akseptor elektron : sulfat, nitrat, atau CO2. Respirasi Anaerobik melibatkan : Glikolisis, Siklus Asam Sitrat dan RTE. Total hasil energi per molekul glukosa yang dioksidasi lebih kecil atau sama dengan 36 ATP (lebih sedikit dari Respirasi Aerobik, tapi lebih banyak dari fermentasi). Beberapa prokariot mampu melakukan respirasi anaerob Contoh : -

Beberapa bakteri pereduksi sulfat dapat mentransfer elektron ke ggs sulfat  direduksi menjadi H2S.

-

Bakteri pereduksi nitrat dapat mentransfer elektron ke ggs nitrat  direduksi menjadi nitrit

-

Bakteri pereduksi nitrat lain dapat mereduksi nitrat  NO dan N2

Respirasi anaerob merupakan respirasi yang tidak menggunakan oksigen sebagai penerima elektron akhir pada saat pembentukan ATP. Respirasi anaerob juga menggunakan glukosa sebagai substrat. Respirasi anaerob merupak an proses fermentasi.


3. Fermentasi Merupakan reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem biologi yang menghasilkan energi dan sebagai donor dan akseptor elektron digunakan senyawa organik (tidak perlu O2), akan tetapi prosesnya tidak efisien. Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal. Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat, dan hidrogen. Akan tetapi beberapa komponen lain dapat juga dihasilkan dari fermentasi sepertiasam butirat dan aseton. Ragi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir ,anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia selama kerja yang keras (yang (yang tidak memiliki akseptor

elektron eksternal), eksternal), dapat dikategorikan

sebagai bentuk fermentasi yang mengasilkan asam laktat sebagai produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam menyebabkan rasa kelelahan pada otot.


Dari hasil akhirnya, fermentasi dibedakan menjadi fermentasi asam laktat dan fermentasi alkohol. a. Fermentasi asam laktat Fermentasi asam laktat merupakan merupakan respirasi respirasi anaerob, hasil akhir fermentasi ini ialah asam laktat yang disebut juga asam susu. Sebagian masyarakat menyebut asam laktat sebagai asam kelelahan, karena erat kaitannya dengan rasa lelah. Hal ini terjadi pada manusia, karena bergerak melebihi batas sehingga terjadi penimbunan asam laktat yang merupakan hasil akhir fermentasi pada otot tubuh. Proses fermentasi juga dimulai dengan den gan glikolisis yang menghasilkan asam piruvat. Karena pada proses ini tidak ada oksigen yang merupakan reseptor terakhir, maka asam piruvat diubah menjadi asam laktat. Kejadian ini berakibat pada elektron yang tidak meneruskan perjalanannya, perjalanann ya, tidak lagi menerima elektron dari NADH dan FAD. Karena tidak terjadi penyaluran elektron, berarti pula NAD+ dan FAD yang diperlukan dalam siklus krebs juga tidak terbentuk. Akibatnya, reaksi siklus krebs pun terhenti. Asam laktat merupakan zat kimia yang merugikan karena bersifat racun atau toksis. b. Fermentasi alkohol Pada beberapa mikroorganisme, peristiwa pembebasan energi terjadi karena asam piruvat diubah menjadi asam asetat dan CO2. Selanjutnya, asam asetat diubah menjadi alkohol. Pada peristiwa

ini,

NADH

diubah

menjadi

NAD+.

Denganterbentuknya NAD+, glikolisis dapat terjadi. Dengan demikian, asam piruvat selalu tersedia, kemudian diubah menjadi energi. Pada fermentasi ini, energi (ATP) yang dihasilkan dari 1 molekul glukosa hanya 2 molekul ATP, berbeda dengan proses respirasi aerob molekul glukosa menjadi menja di 34 ATP.

yang mengubah

1


Mekanisme Fosforilasi Oksidatif

Recommend Documents