BIOKIMIA

PEMBENTUKAN ATP MELALUI FOSFORILASI OKSIDATIF

Dikumpulkan Tanggal 5 Januari 2015

NAMA : Dawam Suprayogi NIM : 14/372556/PBI/1271 DOSEN : Prof. Dra. Sukarti Moeljopawiro, M.App.Sc., Ph.D

PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS BIOLOGI UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA 2015

PEMBENTUKAN ATP MELALUI FOSFORILASI OKSIDATIF A. Pendahuluan

Selama tahun 1940-an diketahui bahwa pembentukan ATP adalah dari

penggabungan ADP dan fosfat anorganik pada sistem transport elektron yang terjadi di

mitokondria. Menyikapi hal tersebut, upaya untuk mengetahui mekanisme molekularnya

terus dilakukan secara intensif (Metzler, 2003). Pada proses pembentukan ATP terjadi proses

berupa rantai transpor elektron dan kemiosmosis. Kedua proses ini dikenal dengan

fosforilasi oksidatif (Reece et al., 2011).

Fosforilasi oksidatif adalah puncak dari proses metabolisme untuk menghasilkan

energi bagi organisme aerobik. Semua tahap-tahap enzimatik pada degradasi oksidatif

karbohidrat, lemak, dan asam amino di dalam sel aerobik menyatu menjadi tahap akhir

respirasi sel. Pada tahap ini terjadi pengaliran elektron dari senyawa organik menuju oksigen

sebagai reseptor elektron terakhir. Proses ini menghasilkan energi melalui pembentukan

ATP dari ADP dan fosfat anorganik (Nelason dan Cox, 2004).

Pada organisme eukariot, fosforilasi oksidatif berlangsung di mitokondria.

Pemahaman kita mengenai sintesis ATP dalam mitokondria didasarkan pada hipotesis yang

diperkenalkan oleh Peter Mitchell pada tahun 1961, bahwa perbedaan konsentrasi proton

transmembran merupakan sumber energi yang diekstraksi dari reaksi oksidasi biologis.

Teori kemiosmotik ini telah diterima sebagai salah satu prinsip besar di bidang biologi pada

abad kedua puluh. Teori ini memberikan gambaran bahwa proses fosforilasi oksidatif tidak

sama dengan proses transduksi energi pada transpor aktif antar membran (Nelason dan Cox,

2004).

Fosforilasi oksidatif melibatkan proses reduksi O2 menjadi H2O dengan donor

elektron dari NADH dan FADH2. Proses ini dapat terjadi baik pada kondisi terang maupun

gelap (Nelason dan Cox, 2004). Produksi ATP terjadi ketika NADH dan FADH2 yang

diproduksi pada siklus asam sitrat meneruskan elektron-elektron yang diekstraksi dari

makanan ke transpor elektron. Dalam proses tersebut, NADH dan FADH2 menyuplai energi

yang dibutuhkan untuk fosforilasi ADP menjadi ATP (Reece et al., 2011). NADH dan

FADH2 hasil dari siklus asam sitrat merupakan bahan bakar dalam proses fosforilasi

oksidatif yang bekerja di mitokondria. NADH dan FADH2 akan melalui beberapa tahapan

kompleks dalam membran mitokondria (Nelason dan Cox, 2004).

1

B. Transpor Elektron

Pembawa elektron pada rantai transpor elektron tersusun dalam kompleks

supramolekul yang tertanam dalam membran dan dapat dipisahkan secara fisik. Aktivitas

yang terjadi pada membran dalam mitokondria memungkinkan terbentuk empat kompleks

pembawa elektron yang unik, masing-masing mampu mengkatalisis transpor elektron

melalui bagian dari rantai (Tabel 1). Kompleks I dan II mengkatalisis transpor elektron ke

ubiquinone dari dua donor elektron yang berbeda: NADH (Kompleks I) dan suksinat

(Kompleks II). Kompleks III membawa elektron dari reduksi ubiquinone ke sitokrom C, dan

Kompleks IV melengkapi urutan dengan mentransfer elektron dari sitokrom C ke O2

(Nelason dan Cox, 2004).

Tabel 1. Komponen protein penyusun rantai transpor elektron pada mitokondria

Sumber: Nelason dan Cox (2004)

a. Kompleks I

Kompleks I disebut juga NADH:

ubiquinone oksidoreduktase atau NADH

dehidrogenase, merupakan enzim besar

yang terdiri dari 42 rantai polipeptida yang

berbeda. NADH berikatan dengan

kompleks I dan menyumbang dua elektron.

Elektron tersebut kemudian memasuki

kompleks I melalui Flavoprotein yang

mengandung FMN (disebut juga flavin

mononukleotida). Tambahan elektron ke

FMN mengubahnya menjadi bentuk

tereduksi, FMNH2. Elektron kemudian Gambar 1. NADH:ubiquinone oxidoreductase

(Kompleks I).

2

ditransfer melalui gugus besi-sulfur. Setidaknya terdapat enam gugus besi-sulfur [2Fe–2S]

maupun [4Fe–4S] (Nelason dan Cox, 2004).

Mikroskop elektron resolusi tinggi menunjukkan Kompleks I berbentuk L (Gambar

1), dengan satu lengan L tertanam dalam membran dan lengan yang lain mengarah ke dalam

matriks. Kompleks I mengkatalisis dua proses. Proses pertama yaitu transfer eksergonik ion

hidrogen ke ubiquinone dari NADH dan proton dari matriks, yang dinyatakan dengan

persamaan reaksi:

NADH + H++ Q → NAD++ QH2 proses kedua transfer endergonik empat proton dari matriks ke ruang antarmembran.

Kompleks I adalah pompa proton yang digerakkan oleh energi dari transpor elektron, dan

reaksi yang dikatalis adalah: proton digerakkan dalam arah tertentu dari satu lokasi (matriks,

yang menjadi bermuatan negatif dengan keluarnya proton) ke lokasi yang lain (ruang

antarmembran, yang menjadi bermuatan positif). Untuk menunjukkan arah terjadinya

proses,secara keseluruhan reaksi sering ditulis dengan subskrip yang menunjukkan lokasi

proton: P untuk sisi positif dari membran dalam (ruang antarmembran), N untuk sisi negatif

(matriks):

NADH+ 5HN+ +Q → NAD++QH2+ 4HP

+

Ubiquinol (QH2, bentuk tereduksi penuh) berdifusi pada membran dalam

mitokondria dari Kompleks I Kompleks III. Saat proses QH2 teroksidasi menjadi Q terjadi

gerakan ion H+ ke ruang antar membran (Nelason dan Cox, 2004).

b. Kompleks II

Suksinat dehidrogenase (Kompleks II)

adalah enzim yang terikat membran (Gambar 2).

Merupakan titik masuk kedua pada rantai transpor

elektron. Meskipun lebih kecil dan sederhana dari

Kompleks I, Kompleks II berisi lima gugus prostetik

dari dua jenis dan empat subunit protein yang

berbeda. Subunit C dan D adalah protein integral,

masing-masing dengan tiga heliks transmembran.

Subunit C dan D berisi sebuah kelompok heme yaitu

heme b, dan tempat pengikatan ubiquinone, akseptor

elektron terakhir dalam reaksi dikatalisis oleh Gambar 2. Suksinat dehidrogenase

(Kompleks II)

3

Kompleks II. Subunit A dan B melebar ke arah matriks, mengandung tiga pusat 2Fe-2S,

FAD (flavin adenina dinukleotida) terikat, dan tempat pengikatan substrat, suksinat. Jalur

transpor elektron dari sisi yang mengikat suksinat ke sisi FAD, kemudian melalui pusat Fe-

S ke sisi yang mengikat ubiquinone. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih sedikit

daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor proton melewati membran dan

tidak berkontribusi terhadap gradien proton. Kompleks II juga akan menghasilkan Ubiquinol

(QH2) yang selanjutnya akan dioksidasi kembali pada Kompleks III (Nelason dan Cox,

2004).

c. Kompleks III

Sitokrom C oksidoreduktase (Kompleks III) merupakan pasangan transpor elektron

dari ubiquinol (QH2) ke sitokrom c dengan transportasi vectorial proton dari matriks ke

ruang antarmembran. Berdasarkan struktur Kompleks III (Gambar 3) dan studi biokimia

tentang reaksi redoks, model yang umum telah diusulkan mengenai reaksi bagian elektron

dan proton yang melalui Kompleks III. Persamaan untuk reaksi redoks siklus Q ini adalah:

QH2+2 cyt c1(teroksidasi)+ 2HN+ →Q+2 cyt c1(tereduksi)+ 4HP

+

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 (Nelason dan Cox, 2004).

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

Gambar 3. Sitokrom C oksidoreduktase (Kompleks III)

4

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 (Nelason dan Cox,

2004).

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 (Nelason dan Cox,

2004).

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 (Nelason dan Cox, 2004).

d. Kompleks IV

Pada tahap akhir dari rantai respirasi,

Kompleks IV yang disebut juga sitokrom

oksidase, membawa elektron dari sitokrom C ke

molekul oksigen lalu direduksi menjadi H2O.

Kompleks IV adalah enzim yang besar (13

subunit; Mr 204.000) dari membran dalam

mitokondria. Mitokondria subunit II berisi dua

ion Cu kompleks dengan gugus OSH dari dua

residu Cys di pusat binuklir yang menyerupai

pusat gugus 2Fe-2S besi-sulfur. Subunit I berisi

dua kelompok heme, yaitu heme a dan a3, dan ion

tembaga lain (CuB). Heme a3 dan CuB

membentuk pusat binuklir kedua yang menerima

elektron dari heme a dan mentransfernya ke

Gambar 4. Sitokrom oksidase (Kompleks IV)

5

molekul O2 lalu ke heme a3 (Nelason dan Cox, 2004).

Transpor elektron melalui Kompleks IV adalah dari sitokrom c ke pusat CuA, lalu

ke heme a, selanjutnya ke pusat heme a3-CuB, dan akhirnya ke O2 (Gambar 4). Untuk setiap

empat elektron melewati kompleks ini, enzim mengkonsumsi empat ion H+ dari matriks (N

side) pada proses konversi O2 menjadi 2H2O. Proses ini juga menggunakan energi dari

reaksi redoks untuk memompa satu proton dari luar ke dalam ruang antarmembran (P sisi).

Untuk setiap elektron yang melewati akan menambah potensi elektrokimia yang dihasilkan

oleh redoks transportasi proton yang melalui Kompleks I dan III. Keseluruhan reaksi yang

dikatalisis oleh kompleks IV adalah:

4 Cyt c (tereduksi) + 8HN+ + O2 → 4 cyt c (teroksidasi)+ 4HP

++ 2H2O

Empat elektron direduksi oleh O2 melibatkan pusat redoks yang hanya membawa

satu elektron pada satu waktu, dan harus terjadi tanpa menghasilkan produk sampingan

seperti hidrogen peroksida atau hidroksil yang sangat bersifar radikal bebas dan reaktif

sehingga dapat merusak komponen sel. Produk sampingan ini akan tetap terikat erat pada

Kompleks IV sampai benar-benar dikonversi menjadi air (Nelason dan Cox, 2004).

C. Kemiosmosis

Rantai trasnspor elektron

tidak menghasilkan ATP secara

langsung. Akan tetapi, rantai ini

memudahkan sampainya elektron

dari bahan organik ke oksigen,

menguraikan penurunan energi

bebas dalam jumlah besar menjadi

serangkaian langkah yang lebih

kecil dan melepaskan energi dalam

bentuk yang mudah dikelola oleh

sel. Untuk melakukan sitesis ATP

maka dilakukan suatu mekanisme

yang disebut kemiosmosis (Reece et

al., 2011).

6

Membran dalam mito-kondria banyak mengandung kompleks protein yang disebut

sebagai ATP sintase. Kompleks

protein ini adalah enzim yang

membuat ATP dari ADP dan fosfat

anorganik. ATP sintase bekerja seperti pompa ion yang bekerja terbalik. ATP sintase

menggunakan energi dari gradien ion yang ada untuk memberikan tenaga bagi sintesis ATP.

Sumber tenaga bagi ATP sintase adalah perbedaan konsentrasi H+ di kedua sisi membran

dalam mitokondria. Proses ini menggunakan energi yang tersimpan dalam bentuk gradien

ion hidrogen di kedua sisi membran untuk menggerakkan kerja selular seperti sintesis ATP

sehingga disebut kemiosmosis (Reece et al., 2011).

ATP sintase (Gambar 5) adalah kompleks multisubunit dengan empat bagian utama,

yang masing-masing terdiri atas banyak polipeptida. Proton bergerak satu demi satu ke

dalam situs mengikatan pada salah satu bagian (rotor), sehingga rotor berputar dan

mengkatalis produksi ATP dari ADP dan fosfat anorganik. Aliran proton ini berlaku seperti

aliran sungai deras yang memutar kincir air (Reece et al., 2011).

Rantai transpor elektron mengalirkan elektron dari NADH dan FADH2 untuk

memompa H+ melintasi membran, dari matriks mitokondria menuju ruang antar membran.

H+ memiliki kecenderungan untuk bergerak kembali melintasi membran, berdifusi menuruni

gradiennya. Adapun ATP sintase merupakan satu-satunya unit yang menyediakan jalan bagi

H+ untuk menembus membran. Melintasnya H+ melalui ATP sintase memanfaatkan aliran

eksergonik H+ untuk menggerakkan fosforilasi ADP. Dengan demikian, energi yang

tersimpan dalam gradien H+ di kedua sisi membran akan menggandengkan reaksi redoks

pada rantai transpor elektron dengan sintesis ATP. Dalam sel eukariot, pembawa elektron

tersusun secara spasial di dalam membran sehingga H+ diterima dari matriks mitokondria

dan dideposit di ruang antar membran. Gradien H+ yang dihasilkan disebut sebagai gaya

gerak proton dengan menekankan pada kapasitas gradien untuk melakukan kerja. Gaya

tersebut menggerakkan H+ kembali melintasi membran melalui saluran-saluran H+ yang

disediakan oleh ATP sintase. Pergerakan ion H+ secara berulang-ulang melintasi membran

ini berperan langsung dalam pembentukan ATP (Reece et al., 2011).

D. Kesimpulan

Pembentukan ATP melalui proses fosforilasi oksidatif dibagi menjadi dua bagian

yaitu rantai transpor elektron dan kemiosmosis. Rantai transpor elektron memastikan bahwa

elektron yang berasal dari bahan organik diterima oleh oksigen. Bahan baku dalam rantai

Gambar 5. ATP Sintase

7

transpor elektron adalah NADH dan FADH2. Setelah melalui rantai transpor elektron, ion

H+ akan memasuki proses kemiosmosis yang melibatkan enzim ATP sintase. Proses ini

berfungsi untuk membentuk ATP dari ADP dan fosfat anorganik.

Daftar Rujukan

Metzler, D. E. 2003. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells, Second Edition.

Elsevier Academic Press.

Nelson, D. L., dan Cox, M. M. 2004. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition.

W. H. Freeman Publisher.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B.,

2011. Campbell Biology Ninth Edition. San Francisco: Pearson Education, Inc.

8