Kompleks Sitokrom b 6f
Kompleks sitokrom disusun atas tujuh jenis protein integral membran, termasuk dua sitokrom dan protein iron-sulfur (Becker). Sitokrom adalah protein yang mengandung gugus heme prostetik yang berfungsi sebagai salah satu pembawa elektron. Heme yang terlibat dalam satu transfer elektron ini melibatkan oksidasi Fe2+ dan Fe3+. Sitokrom diberi nama sesuai dengan spektrum penyerapan mereka yang tergantung pada struktur porfirin. Dua sitokrom yang terdapat pada kompleks ini adalah sitokrom b dan sitokrom f. Protein yang terlibat selama proses transfer elektron disini adalah: 1) Plastosianin, yaitu protein yang mengandung unsur tembaga (Copper (Copper ) yang berperan sebagai pembawa elektron, 2) Plastoskuinon, yaitu protein membran peripheral yang berperan sebagai pembawa elektron, 3) Feredoxin, yaitu protein iron-sulfur yang ditemukan pada stroma. Feredoxin F eredoxin berperan dalam asimilasi nitrogen dan sulfur dan 4) Enzim Ferredoxin NADP+ Reduktase (FNR), yaitu protein membran peripheral yang ditemukan di membran tilakoid yang menghadap ke sisi stroma. Berperan dalam reduksi dan asimilasi karbon. Kompleks Sintesis ATP
Kompleks sintesis ATP pada kloroplas disebut kompleks CF0CF1. Komponen CF1 merupakan rantai hidrofilik polipeptida yang menonjol dari sisi stroma ke dalam membran tilakoid dan mengandung tiga sisi katalis untuk sintesis ATP. Sementara itu, komponen CF0 merupakan rantai hidrofilik polipeptida yang melekat pada membran tilakoid. Subunit I dan II dari CF0 membentuk tangkai peripheral yang menghubungkan CF0 dan CF1. Subunit IV dari CF0 berfungsi sebagai pemindah proton yaitu melalui aliran proton, dari lumen kembali ke stroma dibawah pmf ( proton-motive proton-motive force). force). Proton yang mengalir melalui sub unit IV menyebabkan rotasi pada ring polipeptida subunit III. 2.2
Reaksi Transduksi Energi Fotosintetik (Fotofosforilasi) (Fotofosforil asi)
Kompleks fotosintesis pada cyanobacteria tingkat tinggi, algae dan tumbuhan berpembuluh lebih kompleks daripada sistem satu pusat reaksi yang dimiliki bakteri tingkat rendah. Pada membrane tilakoid kloroplas terdapat dua jenis fotosistem yang berbeda, masing-masing fotosistem tersebut memiliki pusat reaksi fotokimia dan jenis molekul antenna tersendiri. Kedua fotosistem ini memiliki perbedaan tetapi fungsinya saling melengkapi. Fotosistem II (PSII) adalah jenis sistem pheophytin-quinone (seperti fotosistem tunggal pada bakteri ungu) yang mengandung klorofil a dan b dengan konsentrasi yang hampir sama.
eksitasi pada pusat reaksi P680 ini menyebabkan electron melewati kompleks sitokrom b6f yang pada saat bersamaan terjadi terjadi perpindahan proton melewati membrane tilakoid. Fotosistem I (PSI) mempunyai pusat reaksi P700 dan mengandung klorofil a dan b dengan rasio tinggi. Eksitasi electron pada P700 menyebabkan electron menuju protein feredoksin Fe-S, kemudian NADP+ dan menghasilkan NADPH. Pada tumbuhan, kedua pusat reaksi ini bertindak keduanya untuk mengkatalis perpindahan electron dari H2O menuju NADP+. Electron dibawa diantara dua fotosistem oleh protein terlarut yang disebut plastocyanin. Untuk menggantikan electron yang tereksitasi dari PSII menuju NADP+, cyanobakteri dan tumbuhan akan mengoksidasikan H2O menghasilkan O2. (Nelson dan Cox, 2005)
2.2.1
Aliran Elektron dari Air ke Plastoquinone
PSII mengandung lebih kurang 25 polipeptida (termasuk D1 dan D2) yang mengikat bukan hanya klorofil, akan tetapi juga terdiri atas kompleks pemecahan air dan sistem transfer electron. Disekeliling pusat reaksi PSII terdapat tambahan 40-50 klorofil a dan 10 molekul betakaroten yang berfungsi meningkatkan pengumpulan photon. Pada tumbuhan dan alga hijau, PS II diasosiasikan dengan LHCII (Light-harvesting complex II) yang mengandung 250 klorofil dan sejumlah molekul karotenoid. Energy ditangkap oleh pigmen antenna pada PSII disalurkan menuju pusat reaksi dengan cara transfer energy resonansi. Ketika energy mencapai pusat reaksi, energy ini akan menurunkan potensial reduksi dari molekul krorofil a pada P680 sekitar -0,80V sehingga menjadikan donor electron yang baik. Potensial reduksi P680 yang rendah memungkinkan terjadinya photoeksitasi electron menuju pheophitin (Ph, modifikasi klorofil a yang teridiri dari 2 proton pada ion Mg). Perbedaan muatan yang dihasilkan diantara P680+ yang teroksidasi dan Ph tereduksi (Ph-) menjaga peningkatan energy potensial dari electron yang tereksitasi dan mencegah aliran electron balik menuju P680 dimana hal ini menyebabkan energy akan hilang sebagai panas atau menyebabkan fluorescence. Jadi, energy cahaya matahari telah mengubah energy potensial elektrokimia kedalam bentuk pemisahan muatan antara P680 dan Pheopitin.
Gambar 5. Fotosistem II (Karp, 2010)
Tahap selanjutnya adalah elekton menuju QA (sebuah plastoquinone yang berikatan kuat dengan protein D2). Plastoquinone mirip dengan koenzin Q, komponen sistem transfer elekton pada mitokondria. Plastoquinone lain (QB) menerima dua elekton dari QA dan mengikat dua proton dari stroma sehingga tereduksi membentuk plastoquinol (QBH2). QBH2 kemudian dapat melepaskan 2 elektron dan 2 proton menuju sitokrom b6 yang akan teroksidasi kembali menjadi QB. Karena satu molekul klorofil memindahkan satu electron per proton yang diserap, maka pembentukan satu molekul plastoquinol tergantung pada dua urutan fotoreaksi pada pusat reaksi yang sama sehingga dapat dituliskan: 3
photon + QB + 2H+ + 2e- menjadi QBH2
Gambar 6. Reduksi Plastoquinone menjadi Plastoquinol (Karp, 2010)
Untuk menggantikan electron yang hilang pada plastoquinon, P680+ akan direduksikan oleh electron yang diperoleh dari air. Untuk melakukan hal ini, PSII dilengkapi dengan OEC (exygen-eveolving complex), sebuah kompleks protein dan ion Mangan yang mengkatalisasi pemisahan dan oksidasi air dan menghasilkan molekul oksigen, electron dan proton. Dua
molekul air mendonorkan empat electron, satu demi satu melewati residu tyrosin pada protein D1 menuju empat molekul P680+. MSP (Manganese-stabilizing protein) mengikat empat ion Mangan yang menerima dan mengakumulasikan empat electron yang dilepaskan
oleh dua
molekul air yang teroksidasi. Mekanisme ini mencegah pembentukan zat-zat intermediet seperti hydrogen peroksida (H2O2) atau anion superoksida (O2-) yang dapat bersifat racun jika dilepaskan. Proses diatas akan melepaskan satu molekul oksigen dan empat proton menuju lumen tilakoid yang dapat dituliskan sebagai berikut: 2H2O menjadi O2 + 4e- + 4H+ lumen
Gambar 7. Proses Pemecahan air pada OEC (Nelson dan Cox, 2005)
Proton yang terakumulasi pada lumen tilakoid menyebabkan gradient proton elektrokimia melewati membrane tilakoid dan molekul oksigen akan berdifusi keluar dari kloroplas. Oleh karena oksidasi lengkap dari dua molekul air menjadi molekul air tergantung pada empat fotoreaksi, reaksi yang dikatalisasi oleh empat fotoeksitasi PSII dapat disubtitusi menjadi reaksi berikut. 4 photon + 2H2O + 2QB + 4H+ stroma menjadi O2 + 2QBH2 + 4H+lumen Proton yang dipindahkan dari stroma menuju lumen tilakoid sebenarnya masih menjadi bagian dari QBH2, sementara itu proton yang ditambahkan ke lumen pada tahap ini berasal dari oksidasi air. 2.2.2
Transfer Elekron dari Plastoquinol ke Plastocyanin
Electron yang dibawa oleh QBH2 mengalir melalui sebuah kompleks sistem transfer electron (ETS) yang tergabung ke pompa proton searah melewati membrane tilakoid kedalam lumen. Mekanisme ini terjadi dengan kompleks sitokrom b6 atau f kompleks, yang tersusun atas tujuh protein integral yang berbeda termasuk dua sitokrom dan sebuah protein besi-sulfur.
QBH2 mendonorkan dua electron yang diterima dari PSII, satu demi satu melalui sitokrom b6 dan protein besi-sulfur menuju sitokrom f. Oksidasi masing-masing QBH2 melepaskan dua proton ke dalam membrane tilakoid dan memungkinkan QB kembali ke plastoquione pool, dimana ini tersedia untuk menerima lebih electron dari PSII dan lebih proton dari stroma.
Gambar 8. Transfer elektron dari PSII menuju PSI (Karp, 2010)
Penelitian terkini mendukung model yang menjelaskan penambahan proton dapat dipompa dari stroma kedalam lumen dengan melibatkan siklus Q kloroplas. Pada model ini, setiap empat electron yang ditransferkan dari QBH2 ke plastocyanin (PC), satu electron dari QBH2 digunakan dalam siklus Q untuk mereduksi molekul QB yang kedua yang terasosiasi dengan sitokrom b6. Pada saat QB tereduksi menjadi QBH2, penambahan proton dari stoma diambil dan dilepaskan ke dalam lumen setiap kali QBH2 direoksidasi.
Gambar 9. Siklus Q (Hardin dkk, 2012)
Karena setengah elekton dari QBH2 melakukan siklus balik ke QB, proses pada siklus Q akan menggandakan jumlah proton yang dipindahkan dari stroma menuju lumen tilakoid pada setiap electron yang terlewati menuju PC. Kemudian sitokrom yang tereduksi mendonorkan electron menuju protein yang mengandung tembaga yang disebut plastocyanin (PC). Plastocyanin seperti platoquinol adalah pembawa electron menuju PSI tetapi hanya membawa satu electron tiap waktu. Dimulai dengan dua molekul QBH2 yang dihasilkan pada PSII, reaksi
akhir yang dikatalisasi oleh sitokrom b6 atau kompleks f untuk setiap electron yang ditransferkan ke PC dapat dituliskan seperti dibawah ini: 2 QBH2 + 4PC (Cu2+) menjadi 2QB + 4H+lumen + 4PC (Cu+) Tambahannya, proses pada siklus Q akan menggandakan jumlah proton yang berpindah ke dalam lumen tilakoid menjadi depalan karena setengah dari electron-elektron berpindah melalui siklus Q menuju ke PC.jadi empat photoreaksi pada PSII menambahkan total delapan sampai 12 proton ke tilakoid, empat dari oksidasi air menjadi oksigen dan empat sampai delapan lagi dibawa menuju lumen oleh plastoquinol.
2.2.3
Transfer Elektron dari Plastocyanin Ke Feredoksin
Fotosistem I berperan memindahkan electron yang dieksitasikan oleh photon dari PC tereduksi menuju sebuah protein yang dikenal dengan feredoksin, donor electron intermediet menuju NADP+. Pusat reaksi PSI mengandung tiga molekul klorofil a yaitu A0, piloquinone (A1) dan tiga molekul besi-sulfur (FX, FA, FB) membentuk ETS yang menghubungkan A0 dengan feredoksin.
Gambar 10 . Fotosistem I (Karp, 2010)
PSI pada tanaman dan alga hijau diasosiasikan dengan LHCI (light-harvesting complex I) yang tersusun lebih sedikit molekul antenna daripada LHCII. LHCI tersusun atas 80 – 120 klorofil dan sedikit molekul karotenoid. Sebagaimana pada PSII, energy dikumpulkan pada pusat reaksi yang mengandung pasangan khusus dari molekul klorofil a. energy diserap oleh PSI menyebabkan penurunan potensial reduksi dari pasangan khusus klorofil (P700) sekitar -1,3 V. Fotoeksitasi electron kemudian secara cepat terjadi dari P700 menuju A0, dan pemisahan muatan antara P700 teroksidasi dan A0 tereduksi mencegah kembalinya electron ke pusat reaksi.
Pemisahan muatan ini mempertahankan energy cahaya terserap sebagai energy potensial elektrokimia. Electron yang tereksitasi pada P700 digantikan oleh electron yang datang dari plastocyanin tereduksi. Dari A0, electron mengalir secara eksergonik melalui ETS menuju ferredoksin, akseptor electron akhir pada PSI. Ferredoksin adalah protein besi-sulfur bergerak yang dapat ditemukan di dalam stroma kloroplas. Ferredoksin adalah pereduksi penting pada beberapa jalur metabolism di dalam klorolas, termasuk asimilasi nitrogen dan sulfur. Dimulai dengan empat molekul plastocyanin tereduksi yang dihasilkan pada sitokrom b6 atau kompleks f, reaksi yang dikatalisasi oleh PSI dapat ditulis sebagai berikut: 4Photon + 4PC (Cu+) + 4Fd (Fe3+) menjadi 4PC (Cu2+) + 4Fd (Fe3+) 2.2.4
Reduksi NADP+
Tahap akhir jalur fotoreduksi adalah adalah transfer electron dari ferredoksin menuju NADP+ yang akan menghasilkan NADPH sebagai bahan penting dalam asimilasi dan reduksi karbon. Transfer electron ini dikatalisasi oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase (FNR), protein perifer membrane yang ditemukan pada sisi stromal membrane tilakoid. Dimulai padamolekul feredoksin yang tereduksi, maka reaksinya dapat diperoleh: 4Fd (Fe2+) + 2NADP+ + 2H+stroma menjadi 4Fd(Fe3+) + 2NADPH Reduksi satu molekul NADP+ membutuhkan satu H+ dari stroma dan dua electron, masing-masing dari feredoksin yang tereduksi. Reaksi ini akan menurunkan konsentrasi proton di stroma dan berperan pada gradient proton elektrokimia melewati membrane tilakoid. Berbagai komponen ETS berperan dalam aliran electron bersambungan dan satu arah dari molekul air menuju NADP+. Aliran electron ini disebut dengan aliran electron nonsiklik. Pada aliran electron siklik terjadi aliran electron dari feredoksin kembali menuju sitokrom b6/f. Hasil akhir dari oksidasi bergantung cahaya dari dua molekul air menjadi molekul oksigen dapat dituliskan dengan persamaan dibawah ini, asumsi bahwa feredoksin tidak mendonasikan electron pada jalur lainnya. 8 photon + 2H2O + 6H+stroma + 2NADP+ menjadi 8H+ + O2 + 2NADPH Untuk setiap delapan photon yang diserap (empat dari PSII dan empat dari PSI), dua NADPH dihasilkan. Jadi energy cahaya matahari yang telah ditangkap dan disimpan sebagai energy potensial dalam dua bentuk yaitu NADPH tereduksi dan gradient proton elektrokimia.
2.2.5
Sintesis ATP
Pada tahap akhir proses transduksi, energi potensial yang tersimpan dalam gradient proton digunakan pada sintesis ATP dari ADP dan Pi. Proses ini disebut dengan fotofosforilasi karena energy yang digunakan dalam sintesis ATP ini adalah berasal dari cahaya matahari. Karena membrane tilakoid impermeable terhadap proton, gradient proton elektrokimia dapat diperbesar melewati membrane pada kloroplas yang diberi cahaya. Pada mitokondria, perbedaan pH (ΔpH) melewati membrane dalam hanya sekitar 1 unit, berkontribusi sekitar 0,06V (30%) dari seluruh total proton motive force (pmf) yaitu 0,22V. 70% sisa pmf berasal dari perbedaan potensial membrane (ΔVM) sekitar 0,16V. pada kloroplas, ΔpH lebih penting dari ΔVM dan berkontribusi sekitar 80% dari total pmf.pompa proton yang diinduksi cahaya kedalam lumen tilakoid menyebabkan penurununan pH menjadi sekitar 6 dibandingkan dengan pH stroma sekitar 8 yang dikarenakan oleh pengurangan proton. Sehingga hal ini menyebabkan perbedaan pH sekitar 2 unit dimana keadaan ini cukup untuk menghasilkan pmf sekitar 0,12V pada suhu 25oC. Asumsikan perkiraan ΔVM sekitar 0,03V sehingga memberikan total pmf 0,15V, merepresentasikan perubahan energy bebas standar (ΔGo) sekitar 3,5 kcal/mol dari proton yang berpindah melewati membrane tilakoid. Pada
kloroplas,
sebagaimana
mitokondria,
perpindahan
proton
melewati
membrane dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah mendorong sintesis ATP oleh suatu enzim yang disebut kompleks ATP Syntase. ATP Syntase ditemukan dalam kloroplas (didesain sebagai kompleks CFoCF1). Komponen CF1 adalah susunan polipeptida hidrofilik yang menonjol kearah sisi stroma pada membrane tilakoid dan mengandung tiga sisi katalitik untuk sintesis ATP. Komponen CFo merupakan susunan atas polipeptida yang hidofobik yang tertambat pada membrane tilakoid. Subunit I dan II dari CFo membentuk tangkai samping yang menghubungkan CFo dan CF1.Subunit IV dari CFo adalah translokator proton dimana proton mengalir dari lumen tilakoid kembali ke stroma dibawah tekanan pmf. Proton yang mengalir melalui subunit IV menyebabkan perputaran cincin berdekatan yang tersusun atas subunit polipetida III.
Struktur ATP synthase terkini membuktikan bahwa terdapat 14 kopi dari subunit III didalam rotasi cincin kloroplas bayam memperlihatkan bahwa perpindahan 14 proton melewati CFoCF1 menyebabkan satu rotasi dan menyebabkan sintesis 3 ATP. Perbedaan yang mungkin terdapat pada sejumlah polipeptida subunit III pada organisme yang berbedamenjelaskan
perbedaan
rasio
H+/ATP
yang
didapatkan
oleh
peneliti
menggunakan sistem eksperimen yang berbeda. Asumsikan bahwa setiap 4H+ yang melewati CFo menghasilkan satu ATP, maka reaksi yang dikatalisasi oleh kompleks ATP synthase dapat ditulis sebagai berikut. 4H+lumen + ADP + Pi menjadi 4H+stroma + ATP Hasil ini paling diterima dalam hal termodinamikanya. Nilai ΔG’ untuk sintesis ATP di dalam stroma kloroplas adalah sekitar 10-14 kcal/mol, sedangkan energy yang tersedia sekitar 14kkal per mol proton yang melewati kompleks ATP synthase (3,5 kcal/mol x 4 mol = 14 kcal). Jadi aliran empat electron melewati jalur nonsiklik (tanpa siklus Q) tidak hanya menghasilkan dua NADPH tetapi juga mendorong sintesis sintesis 2 molekul ATP (4 elektron x 2 proton/electron x 1 ATP/4 proton = 2 ATP).
A. Fotofosforilasi Nonsiklik Menghasilkan NADPH dan ATP
Fotosintesis pada tumbuhan dan cyanobacteria memproduksi ATP dan NADPH langsung melalui dua-langkah proses yang disebut fosforilasi nonsiklik. Karena dua fotosistem yang disebut fotosistem I dan II bekerja dalam seri untuk energi elektron ke keadaan energi cukup tinggi, elektron dapat ditransfer dari air ke NADPH. Elektron berenergi tinggi melewati fotosistem digabungkan untuk menghasilkan NADPH, sebagian energi mereka tersedot untuk sintesis ATP. Tahap yang pertama dari dua fotosistem disebut fotosistem II memiliki kemampuan unik untuk menarik elektron dari air. Oksigen dari dua molekul air mengikat empat gugus atom mangan (Mn) pada permukaan lumenal dari fotosistem II pada kompleks pusat reaksi (Gambar 14). Gugus ini memungkinkan elektron untuk dihilangkan satu per satu dari air yang diperlukan untuk mengisi lubang kekurangan elektron yang diakibatkan oleh cahaya dalam molekul klorofil di pusat reaksi. Setelah empat elektron dihapus dari dua molekul air (membutuhkan empat kuanta cahaya), O2 dilepaskan. Hal ini mengakibatkan fotosistem II mengkatalisis reaksi
2H2O + 4foton
4H + 4e + O2. Mekanisme ini memastikan bahwa tidak ada
→
oksidasi molekul air yang dilepaskan sebagai bahaya, seperti radikal oksigen yang sangat reaktif. Pada dasarnya semua oksigen di atmosfer bumi telah diproduksi dengan cara ini.
Gambar 14. Struktur fotosistem II pada tanaman dan cyanobakteri
Gambar : Struktur Fotosistem II pada tumbuhan dan Cyanobacteria (A) Struktur komplit tiga dimensi dimer; (B) Skematik dimer; (C) Monomer. (Sumber: Alberts, 2008).
Inti dari pusat reaksi di fotosistem II adalah homolog dengan pusat reaksi bakteri dan juga menghasilkan elektron donor yang kuat dalam bentuk molekul kuinon yang dilarutkan dalam lapisan membran lipid bilayer. Kuinon melewatkan elektron ke pompa H+ yang disebut sitokrom b6 -f-kompleks, yang menyerupai sitokrom b-c1 kompleks dalam rantai respirasi pada mitokondria. Sitokrom b6 -fkompleks memompa H+ ke dalam ruang tilakoid melintasi membran tilakoid (atau keluar dari sitosol melintasi membran plasma dalam cyanobacteria), dan menghasilkan gradien elektrokimia yang mendorong sinthesis ATP oleh ATP sintase. Akseptor elektron terakhir dalam rantai transpor elektron adalah fotosistem tahap kedua, yaitu fotosistem I, yang menerima elektron ke dalam lubang kekurangan elektron yang diciptakan oleh cahaya dalam molekul klorofil pada pusat
reaksinya. Setiap elektron yang masuk fotosistem I akhirnya didorong ke level energi sangat tinggi yang memungkinkan untuk diteruskan ke pusat sulfur-besi dalam ferredoxin dan kemudian ke NADP+ untuk menghasilkan NADPH.
Gambar. Aliran electron selama fotosintesis pada membrane thylakoid (Sumber Alberts, 2008).
Skema untuk fotosintesis dikenal sebagai skema Z. Melalui dua langkah elektron-energizing, salah satu dikatalisis oleh masing-masing fotosistem, elektron dilewatkan dari air, yang biasanya berikatan pada elektron yang sangat erat (potensial redoks = 820 mv), menjadi NADPH, yang biasanya berikatan padanya elektron longgar (potensial redoks = -320 mV) (Gambar).
Gambar. Perubahan potensial redoks selama fotosintesis (Alberts, 2008).
Sebuah kuantum tunggal cahaya tampak tidak memiliki energi yang cukup untuk memindahkan elektron sepanjang jalan dari dasar fotosistemII ke atas fotosistem I, yang perubahan energinya dibutuhkan untuk melewatkan elektron secara efisien dari air ke NADP +. Penggunaan dua fotosistem secara terpisah membuat energi dari kuanta cahaya tersedia untuk hal ini. Selain itu, ada cukup energi tersisa untuk mengaktifkan rantai elektron transportasi yang menghubungkan dua fotosistem untuk memompa H+ melintasi membran tilakoid (atau membran plasma cyanobacteria), sehingga sintase ATP dapat memanfaatkan beberapa energi cahaya yang diturunkan untuk produksi ATP.
B. Fotofosforilasi Siklik Menghasilkan ATP Tanpa Menghasilkan NADPH
Cahaya berenergi tinggi yang terserap klorofil a dapat menyebabkan elektron (e-) berasal dari fotosistem I atau P700 terlempar keluar orbitnya. Pada saat perjalanan elektron (e-) berasal dari P700 yang terlempar keluar orbit tersebut lalu ditangkap oleh akseptor penerima elektron seperti plastokuinon atau sitokrom. Kemudian elektron itu pindah ke akseptor lain, lalu pindah kembali ke klorofil P700 semula. Selama proses perpindahan dari akseptor satu ke akseptor lain terdapat energi yang terlepas dari elektron, energi tersebut digunakan dalam fotofosforilasi siklik dengan produk akhir berupa ATP, dan tidak dihasilkan NADPH serta O2. Elektron energi tinggi meninggalkan fotosistem II dimanfaatkan untuk menghasilkan ATP dan diwariskan ke fotosistem I untuk mendorong produksi NADPH. Ini menghasilkan sedikit lebih daripada 1 molekul ATP untuk setiap pasangan elektron yang lolos dari H2O ke NADP+ untuk menghasilkan molekul NADPH. Tapi fiksasi karbon memerlukan 1,5 molekul ATP per molekul NADPH. Untuk menghasilkan kloroplas extra ATP, kloroplas dapat beralih dari fotosistem I ke modus siklik sehingga menghasilkan ATP bukan NADPH. Dalam proses ini, yang disebut fotofosforilasi siklik, elektron berenergi tinggi dari fotosistem I ditransfer ke cytochrome b6-f kompleks bukannya diteruskan ke NADP+. Dari b6-f complex, elektron tersebut diteruskan kembali ke fotosistem I pada energi rendah. Satu-
satunya hasil bersih, selain konversi beberapa energi cahaya menjadi panas, adalah bahwa H+ dipompa melintasi membran tilakoid oleh b6-f kompleks sebagai elektron yang melewatinya, sehingga meningkatkan gradien elektrokimia proton yang mendorong ATP synthase. Kegiatan relatif arus elektron siklik dan nonsiklik diatur oleh sel untuk menentukan berapa banyak energi cahaya yang diubah menjadi energy reduksi (NADPH) dan berapa banyak yang diubah menjadi fosfat berenergi tinggi (ATP).
Gambar. Fotofosforilasi Siklik C. ATP Sinthase dalam Mitokondria dan Klroplas
ATP sintase merupakan komponen penting dalam mitokondria dan kloroplas untuk pembentukan ATP. ATP Sintase adalah sebuah enzim yang mengkatalisis pembentukan ATP dari fosforilasi ADP dengan fosfat anorganik, menggunakan bentuk energi, seperti energi dari gradien proton. ATP Sintase terdiri dari dua segmen utama: bagian Fo, saluran proton transmembran dan bagian F1, komponen katalitik. Komponen saluran proton memungkinkan difusi proton (ion hidrogen) dari daerah di mana terdapat lebih banyak ion hidrogen ke daerah di mana terdapat ion hidrogen kurang karena gradien proton. Ketika proton (H + ion) bergerak ke bawah gradien konsentrasi ini menggerakkan enzim dalam gerakan berputar, yang membawa ADP dan fosfat anorganik bersama untuk membentuk ikatan, sehingga menciptakan molekul ATP. Molekul ATP yang dihasilkan dilepaskan sehingga molekul ADP baru bisa masuk untuk fosforilasi lain. ATP Sintase juga dapat bekerja
secara terbalik menggunakan pelepasan energi dari hidrolisis ATP untuk memompa proton melawan gradien termodinamika mereka. Karena juga dapat menggunakan ATP sebagai sumber energi juga tepat disebut AT P sintetase. Varietas yang berbeda dari ATP sintase muncul dalam berbagai jenis sel dan organel serta organisme yang sama sekali berbeda. Pada tumbuhan, misalnya, ATP sintase CF1FO hadir dalam membran tilakoid kloroplas, yang terutama bertanggung jawab untuk fotosintesis. Pada hewan, di sisi lain, ATP sintase F1FO hadir dalam mitokondria, organel yang bertanggung jawab untuk produksi energi. Meskipun perbedaan-perbedaan dalam jenis dan lokasi, komponen inti dari enzim cenderung sangat mirip dalam semua organisme. Seperti yang ditunjukkan oleh nama-nama dari berbagai jenis protein, ada dua subunit utama untuk enzim sintesis ATP, FO dan F1. subunit FO – “O” bukan “nol” – dinamakan demikian karena ia mengikat oligomycin, yang penting untuk beberapa aspek sintesis ATP. Ini bagian dari ATP sintase yang tertanam dalam membran mitokondria, sementara F1, yang hanya singkatan dari “Fraksi 1,” di dalam matriks mitokondria itu. Ada kemungkinan bahwa subunit ini adalah, pada satu waktu, protein benar-benar terpisah yang dimiliki, selama sejarah evolusi, telah terintegrasi ke dalam satu struktur yang sangat lazim di alam. Proses sintesis ATP memerlukan beberapa energi, dan enzim sintase ATP dilengkapi untuk memenuhi kebutuhan ini. subunit FO menggunakan gradien proton untuk menghasilkan energi yang diperlukan untuk sintesis aktual ATP, yang terjadi dalam subunit F1. Sebuah gradien proton adalah jenis gradien elektrokimia di mana energi potensial yang disebabkan oleh perbedaan muatan melintasi membran yang digunakan untuk bahan bakar berbagai proses biokimia. Kadang-kadang, gradien proton sebenarnya tujuan akhir, dalam kasus ini, ATP sebenarnya bisa dikonsumsi untuk menyediakan energi yang diperlukan. Struktur dan fungsi ATP sintase hampir sama pada semua organisme. Subunit yang berbeda kadang-kadang terlibat, dan nomor dan pengaturan dari subunit yang berbeda kadang-kadang digunakan, tetapi pada intinya, protein yang domain dan proses biokimia yang terlibat sangat mirip. Kemiripan ini membuat ATP sintase yang menarik dari sudut pandang evolusi. Kenyataan bahwa enzim telah begitu terawat
dengan baik di sebagian besar organisme sepanjang sejarah menunjukkan bahwa struktur yang dikembangkan sangat awal dalam sejarah evolusi. Para ahli biologi percaya bahwa dua subunit F yang membentuk inti dari enzim benar-benar melayani fungsi sebagian besar yang awalnya tidak berhubungan, tapi akhirnya mampu mengikat bersama untuk membentuk sintase yang sangat berguna.
Gambar 21. Kompenen ATP Sintase
Lebih lanjut, ATP sintase pada mitokondria sebenarnya merupakan enzim yang tersusun dari bagian Fi pada bagian kepala dan carrier transmembran untuk H+ yang disebut sebagai Fo. Batang yang dapat berotasi menancap pada rotor yang terbentuk dari 10-14 subunit c di membran. Sedangkan stator terbentuk dari subunit transmembran yang terikat pada subunit lain yang merupakan perpanjangan dari lengan. Lengan melekatkan stator pada ring dari subunit 3α dan 3β yang membentuk kepala yang tidak dapat berotasi. Kerja ATP sintase adalah reversibel sehingga dapat mensintesis ATP dengan memanfaatkan perpindahan proton sekaligus dapat memompa proton melawan gradien elektrokimia dengan menghidrolisis ATP.
Gambar. Kerja ATP sintase
