FOSFORILASI OKSIDATIF

Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme yang bertujuan 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. NADH dan FADH2 di akan melalui beberapa

kompleks dalam membran mitokondria.

1. NADH-koenzim Q oksidoreduktase (kompleks I)

NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron. Elektron

tersebut kemudian memasuki kompleks I via flavin mononukleotida (FMN), suatu gugus

prostetik yang melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya

menjadi bentuk tereduksi, FMNH2. Elektron kemudian ditransfer melalui rangkaian

gugus besi-sulfur. Terdapat baik jenis gugus besi-sulfur [2Fe–2S] maupun [4Fe–4S]

dalam kompleks I.

Saat elektron masuk, terdapat 4H+ yang ditransferkan ke dalam ruang

antarmembran. Kemungkinan proses ini terjadi yaitu dengan terikatnya H+ yang

bermuatan positif pada bagian protein yang bermuatan negatif, lalu H+ dipindahkan ke

sisi positif dari protein.

2. Suksinat-Q oksidoreduktase (kompleks II)

Suksinat-Q oksidoreduktase, juga dikenal sebagai kompleks II atau suksinat

dehidrogenase, adalah titik masuk kedua pada rantai transpor elektron. Kompleks II

terdiri dari empat subunit protein dan mengantung sebuah kofaktor flavin adenina

dinukleotida (FAD) yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan sebuah gugus heme

yang tidak berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q, namun dipercayai penting

dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif. Enzim ini mengoksidasi suksinat

menjadi fumarat dan mereduksi ubikuinon. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih

sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor proton melewati

membran dan tidak berkontribusi terhadap gradien proton.

Flavoprotein transfer elektron-ubikuinon oksidoreduktase (ETF-Q

oksidoreduktase), juga dikenal sebagai flavoprotein-pentransfer elektron dehidrogenase,

adalah titik masuk ketiga pada rantai transpoer elektron. Ia merupakan enzim yang

menerima elektron dari flavoprotein pentransfer elektron pada matriks mitokondria, dan

menggunakan elektron ini untuk mereduksi ubikuinon. Enzim ini mengandung sebuah

flavin dan sebuah gugus [4Fe-4S], namun tidak seperti kompleks respirasi lainnya, ia

melekat pada permukaan membran dan tidak menembus lipid dua lapis.

Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dalam oksidasi beta asam

lemak dan katabolisme asam amino dan kolina, karena ia menerima elektron dari banyak

asetil-KoA dehidrogenase. Pada tumbuhan, ETF-Q oksidoreduktase juga penting dalam

respon metabolik yang mengijinkan keberlangsungan hidup tumbuhan pada periode

lingkungan gelap yang berkepanjangan

3. Q-sitokrom c oksidoreduktase (kompleks III)

Q-sitokrom c oksidoreduktase juga dikenal sebagai sitokrom c reduktase,

kompleks sitokrom bc1, atau kompleks III. Pada mamalia, enzim ini berupa dimer,

dengan tiap kompleks subunit mengandung 11 subunit protein, satu gugus besi-sulfur

[2Fe-2S], dan tiga sitokrom yang terdiri dari satu sitokrom c1 dan dua sitokrom b.

Sitokrom adalah sejenis protein pentransfer elektron yang mengandung paling tidak satu

gugus heme. Atom besi dalam gugus heme kompleks III berubah dari bentuk tereduksi

Fe+2 menjadi bentuk teroksidasi Fe+3 secara bergantian sewaktu elektron ditransfer

melalui protein ini.

Oleh karena hanya satu elektron yang dapat ditransfer dari donor QH2 ke akseptor

sitokrom c, mekanisme reaksi kompleks III lebih rumit daripada kompleks lainnya, dan

terjadi dalam dua langkah yang disebut siklus Q. Pada langkah pertama, enzim mengikat

tiga substrat, pertama, QH2 yang akan dioksidasi kemudian dengan satu elektron

dipindahkan ke sitokrom c yang merupakan substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan

dari QH2 dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat ketiga adalah Q, yang

menerima dua elektron dari QH2 dan direduksi menjadi Q.-, yang merupakan radikal

bebas ubisemikuinon. Dua substrat pertama dilepaskan, namun zat antara ubisemikuinon

ini tetap terikat. Pada langkah kedua, molekul kedua QH2 terikat dan kemudian

melepaskan satu elektronnya ke akspetor sitokrom c. Elektron kedua dilepaskan ke

ubisemikuinon yang terikat, mereduksinya menjadi QH2 ketika ia menerima dua proton

dari matriks mitokondria. QH2 ini kemudian dilepaskan dari enzim.

Karena koenzim Q direduksi menjadi ubikuinol pada sisi dalam membran dan

teroksidasi menjadi ubikuinon pada sisi luar, terjadi transfer proton di membran, yang

menambah gradien proton. Mekanisme dua langkah ini sangat penting karena ia

meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul QH2 yang digunakan

untuk secara langsung mereduksi dua molekul sitokrom c, efisiensinya akan menjadi

setengah, dengan hanya satu proton yang ditransfer per sitokrom c yang direduksi.

Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu molekul ubikuinol

dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tidak seperti koenzim Q yang membawa dua

elektron, sitokrom c hanya membawa satu elektron.

4. Sitokrom c oksidase (kompleks IV)

Sitokrom c oksidase, juga dikenal dengan nama kompleks IV, adalah kompleks

protein terakhir pada rantai transpor elektron.

Dari penelitian pada hepatosit hewan sapi, enzim ini memiliki struktur kompleks

yang mengandung 13 subunit, antara lain 5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2

asam kolat, 2 gugus heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, meliputi tiga atom

tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua lintasan peletup ion H+

ditemukan membentang dari matriks hingga sitoplasma.

Pada model hepatosit hewan sapi, ion H+ dengan energi potensial elektrostatik

berkisar antara 635meV, tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase fosfolipid vesikel

(COV) pada kedua fasa oksidatif dan reduktif, setelah dikirimkan dari proton loading site

(PLS), pada saat ion H+ berikutnya tiba di PLS. Mekanisme yang ditunjukkan oleh

peletupan ion H+ pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks. Peletupan ion H+

(bahasa Inggris: deprotonation) terjadi bersamaan dengan perubahan gugus karboksil

asam aspartat yang berada pada permukaan intermembran menjadi aspargina.

Enzim ini memediasi reaksi terakhir pada rantai transpor elektron dan mentransfer

elektron ke oksigen, manakala memompa proton melewati membran. Oksigen yang

menerima elektron, juga dikenal sebagai akseptor elektron terminal, direduksi menjadi

air. Baik pemompaan proton secara langsung maupun konsumsi proton matriks pada

reduksi oksigen berkontribusi kepada gradien proton. Menurut Keilin, reaksi yang

dikatalisis oleh sitokrom c dan reduksi oksigennya adalah:

5. ATP sintase (kompleks V)

ATP sintase, juga disebut kompleks V, adalah enzim terakhir dalam lintasan

fosforilasi oksidatif. Enzim ini ditemukan di seluruh organisme hidup dan berfungsi sama

pada prokariota maupun eukariota. Enzim ini menggunakan energi yang tersimpan pada

gradien proton di sepanjang membran untuk mendorong sintesis ATP dari ADP dan

fosfat (Pi). Perkiraan jumlah proton yang diperlukan untuk mensintesis satu ATP berkisar

antara tiga sampai dengan empat, dengan beberapa peneliti yang mensugestikan bahwa

sel dapat memvariasikan rasio ini sesuai dengan kondisi.

Reaksi fosforilasi ini adalah reaksi kesetimbangan, yakni ia dapat digeser dengan

mengubah gaya gerak proton. Dengan ketiadaan gaya gerak proton, reaksi ATP sintase

akan berjalan dari sisi kanan ke kiri, menghidrolisis ATP dan memompa proton keluar

dari matriks melewati membran. Namun, ketika gaya gerak protonnya tinggi, reaks

dipaksa untuk berjalan secara terbalik, yaitu dari sisi kanan ke kiri, mengijinkan proton

mengalir dan mengubah ADP menjadi ATP.

ATP sintase adalah sebuah kompleks protein yang besar dengan bentuk seperti

jamur. Kompleks enzim ini pada mamalia mengandung 16 subunit dan memiliki massa

kira-kira 600 kilodalton. Bagian yang tertanam pada membran disebut FO dan

mengandung sebuah cincin subunit c dan saluran proton. "Tangkai" dan kepala yang

berbentuk bola disebut F1 dan merupakan tempat sintesis ATP. Kompleks yang

berbentuk bola pada ujung akhir F1 mengandung enam protein yang dapat dibagi menjadi

dua jenis: tiga subunit α dan tiga subunit β, manakala bagian "tangkai" terdiri dari satu

protein: subunit γ, dengan ujung tangkai menusuk ke dalam bola subunit α dan β. Baik

subunit α dan β mengikat nukleotida, namun hanya subunit β yang mengkatalisis reaksi

sintesis ATP. Di samping F1 pula terdapat sebuah subunit berbentuk batang yang

menghubungakan subunit α dan β dengan dasar enzim.

Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui saluran ini, motor

FO berotasi. Rotasi dapat disebabkan oleh perubahan pada ionisasi asam amino cincin

subunit c, menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit c. Cincin

yang berotasi ini pada akhirnya akan memutar "as roda" (tangkai subunit γ). Subunit α

dan β dihalangi untuk berputar oleh batang samping yang berfungsi sebagai stator.

Pergerakan ujung subunit γ yang berada dalam bola subunit α dan β memberikan energi

agar tapak aktif pada subunit β menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan

kemudian melepaskan ATP.

Mekanisme ATP sintase. ATP ditunjukkan dengan warna merah, ADP dan fosfat

dalam warna merah jambu, dan subunit γ yang berputar dalam warna hitam.

Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai mekanisme perubahan ikatan (binding

change mechanism) dan melibatkan tapak aktif subunit β yang berputar terus dalam tiga

keadaan. Pada keadaan "terbuka", ADP dan fosfat memasuki tapa aktif (ditunjukkan

dalam warna coklat pada diagram). Protein kemudian menutup dan mengikat ADP dan

fosfat secara longgar (keadaan "longgar" ditunjukkan dalam warna merah). Enzim

kemudian berubah bentuk lagi dan memaksa kedua molekul ini bersama, dengan tapak

aktif dalam keadaan "ketat" (ditunjukan dalam warna merah jambu) dan mengikat

molekul ATP yang terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke keadaan terbuka dan

melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat, dan memulai siklus yang

baru.