OKSIDASI BIOLOGI

DAN

SENYAWA BERENERGI TINGGI

Disusun oleh : drg. Rochmad Koesbiantoro, M.Kes.

PENDAHULUAN

Pembahasan materi perkuliahan oksidasi biologi dan senyawa berenergi ini

meliputi : Proses oksidasi; Peranan enzim, koenzim, serta logam dalam oksidasi

biologi; Hubungan rantai pernafasan dengan pembentukan senyawa fosfat

berenergi tinggi; Cara-cara bagaimana H yang dihasilkan dalam sitoplasma dapat

masuk dan dioksidasi dalam mitokondria; Struktur dan fungsi mitokondria; Proses

transfer elektron di mikosom; dan proses oksidasi reduksi dalam sel darah

merah.

Sebelum membahas lebih dalam materi perkuliahan ini, mahasiswa

diharapkan telah memiliki pengetahuan tentang : Biologi molekuler sel; Proses

oksidasi dan reduksi; Enzim dan koenzim. Sehingga nantinya akan

mempermudah dalam pemahaman materi oksidasi biologi dan senyawa

berenergi tinggi. Pengetahuan tentang oksidasi biologi dan senyawa berenergi

tinggi berguna bagi mahasiswa kelak jika mereka telah terjun dimasyarakat atau

bekerja, khususnya dalam menyelamatkan jiwa penderita yang mengalami

kegagalan respirasi atau sirkulasi dengan pemberian oksigen. Banyak obat,

polutan dan karsinogen kimia (xenobiotik) dimetabolisisr oleh enzim-enzim

kelompok oksidoreduktase atau yang dikenal sebagai sistem sitokrom P-450.

Tujuan instruksional khusus (TIK) setelah mengikuti materi perkuliahan ini,

diharapkan mahasiswa mampu :

Menjelaskan pembentukan energi untuk kelangsungan hidup sel.

Menyebutkan 4 macam enzim oksidoreduktase yang terlibat dalam proses

oksidasi biologi

Menyebutkan koenzim, logam yang terdapat dalam kelompok enzim

oksidoreduktase dan peranannya.

Menggambarkan skema proses rantai pernafasan.

Menjelaskan konsep senyawa berenergi tinggi disertai contohnya.

Menunjukkan cara pembentukan ATP serta peranannya sebagai sumber

energi.

Menunjukkan peranan rantai pernafasan dalam pembentukan ATP.

Menggambarkan bagian mitokondria, sifat dan fungsinya yang khas serta

enzim-enzimnya.

Menjelaskan transfer elektron dan fungsi mikrosom.

Mengenal berbagai koenzim, vitamin yang diperlukan untuk transfer elektron

dalam mikrosom.

Menjelaskan proses oksidasi dan akibatnya pada haemoglobin.

Menjelaskan daya rusak oksigen terhadap eritrosit.

Menjelaskan mekanisme transfer elektron yang melindungi sel darah merah

akibat autooksidasi.

PENYAJIAN

I. Proses oksidasi reduksi

Secara kimiawi oksidasi didefinisikan sebagai pelepasan elektron dari

suatu substansi, sedangkan reduksi sebagai penambahan elektron.

Oxidation

Gambar 1. Oksidasi dan reduksi suatu zat. Zat A mengalami oksidasi dengan melepaskan electron, zat B mengalami reduksi dengan menerima electron yang berasal dari zat A.

Oksidasi selalu disertai reduksi akseptor elektron. Prinsip oksidasi reduksi ini

berlaku pula pada berbagai sistem biokimiawi dan merupakan konsep penting

yang melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi. Dalam biokimia,

oksidasi reduksi sering melibatkan perpindahan tidak hanya suatu elektron tetapi

atom hidrogen utuh.

H2 (teroksidasi) 2e- + 2H+ (donor elektron)

½ O2 (tereduksi) + 2e- + 2H+ H2O

O2 adalah aseptor elektron

Bakteri aerob memerlukan adanya oksigen untuk kelangsungan hidupnya.

Penggunaan utama oksigen adalah untuk proses respirasi, yaitu proses

pengambilan energi dalam bentuk ATP dari reaksi terkendali hidrogen dan

oksigen yang membentuk air. Energi juga dibutuhkan untuk proses kehidupan sel

seperti : biosintesis, transport aktif, pergerakan, dan sebagai mesin untuk

menghasilkan energi dalam sel adalah mitokondria. Semua energi bermanfaat

yang dibebaskan selama oksidasi asam lemak, asam amino, dan karbohidrat

akan tersedia di dalam mitokondria sebagai unsur ekuivalen pereduksi (-H atau

elektron). Mitokondria berisi sejumlah rangkaian katalisator rantai respirasi yang

mengumpulkan, mengangkut, dan dan mengarahkan unsur ekuivalen pereduksi

pada reaksi akhir dengan oksigen untuk membentuk air, juga mampu

menangkap energi bebas yang dilepas sebagai fosfat energi tinggi. Mitokondria

juga mengandung berbagai sistem enzim yang bertanggung jawab untuk

memproduksi sebagian besar unsur ekuivalen pereduksi, yaitu enzim-enzim pada

oksidasi- dan siklus asam sitrat. Siklus asam sitrat merupakan lintasan

metabolisme terakhir untuk oksidasi semua bahan makanan.

Gambar 2. Skema yang menjelaskan bahwa Siklus asam sitrat merupakan lintasan metabolisme terakhir untuk oksidasi semua bahan makanan, kemudian NADH dan FADH2

yang terbentuk akan memasuki rantai transport elektron dan fosforilasi oksidatif.

II. Peranan enzim, koenzim, serta logam dalam oksidasi biologi

Proses oksidasi biologi didalam sel memerlukan adanya enzim. Enzim yang

terlibat dalam proses oksidasi dan reduksi (oksidasi biologi) diberi nama

oksidoreduktase. Enzim oksidoreduktase ini terdiri dari 4 kelompok, yaitu:

a. Kelompok enzim oksidase

Enzim oksidase mengkatalisis pengeluaran hidrogen dari substrat dengan

menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim oksidase

membentuk air atau hidrogen peroksida sebagai produk reaksi.

AH2 1/2 O2 AH2 O2

(Reduksi)

A H2O A H2O2

Oksidase Oksidase

(Oksidasi)

A B

Gambar 3. Oksidasi dari suatu metabolit yang dikatalisis oleh oksidase (A) membentuk H2O,(B) membentuk H2O2.

Contoh kelompok enzim oksidase :

1. Sitokrom oksidase (sitokrom a3)

Tersebar luas dalam banyak jaringan

Komponen terakhir rantai respirasi dalam mitokondria

Merupakan hemoprotein dengan gugus prostetik heme yang berikatan

dengan Fe.

2. Oksidase asam L-amino

Mengandung flavoprotein FMN

Banyak ditemukan pada ginjal

Fungsi deaminasi oksidatif asam L-amino

3. Xantin oksidase

Terdapat dalam susu, usus halus, ginjal, dan hati

Mengandung molybdenum

Penting dalam konversi basa purin menjadi asam urat

4. Glukosa oksidase

Enzim spesifik flavoprotein FAD yang dibuat dari jamur

b. Kelompok enzim dehidrogenase

Enzim-enzim ini mempunyai fungsi utama :

Pemindahan hydrogen dari substrat yang satu kepada substrat yang

lainnya dalam reaksi oksidasi reduksi yang terangkai

AH2 Carrier BH2

(Reduksi) (Oksidasi) (Reduksi)

A Carrier – H2 B

(Oksidasi) (Reduksi) (Oksidasi)

Gambar 4. Oksidasi metabolit yang dikatalisis oleh pasangan dehidrogenase

Komponen dalam rantai respirasi pengangkutan electron dari substrat ke

oksigen

Carrier Carrier-H2 Carrier

AH2 1 2 3 H2O

(Reduksi) (Oksidasi) (Reduksi) (Oksidasi)

Carrier-H2 Carrier Carrier-H3

A 1 2 3 ½ O2

(Oksidasi) (Reduksi) (Oksidasi) (Reduksi)

Gambar 5. Oksidasi metabolit oleh dehidrogenase dan akhirnya oleh oksidase dalam rantai respirasi

Kelompok enzim dehidrogenase meliputi :

1. Enzim dehidrogenase yang spesifik dengan koenzim NAD+, NADP+.

NAD+ dan NADP+ terbentuk dari vitamin niasin.

Enzim dehidrogenase berikatan NAD+ mengkatalisis reaksi

oksidoreduksi dalam lintasan metabolisme oksidatif, khususnya

glikolisis, siklus asam sitrat, dan rantai respiratorik mitokondria.

Enzim dehidrogenase berikatan NADP+ ditemukan dalam sintesis

reduktif, seperti dalam lintasan ekstra mitokondria pada sintesis asam

lemak serta steroid.

Sebagian Enzim dehidrogenase yang bergantung koenzim nikotinamid,

mengandung zeng.

Contoh: Alkohol sdehidrogenase (hati), gliseraldehid-3-fosfat

dehidrogenase (otot kerangka).

2. Enzim dehidrogenase yang spesifik dengan koenzim FMN, FAD (riboflavin)

Gugus flavin yang berikatan dengan enzim dehidrogenase serupa

dengan FMN dan FAD yang terdapat dalam enzim oksidase.

Berhubungan dengan pengangkutan electron dalam rantai respirasi.

Peranan lain dalam proses dehidrogenasi lipoat tereduksi.

Dehidrogenase spesifik untuk A

Dehidrogenase spesifik untuk B

Dehidrogenase Dehidrogenase Dehidrogenase Oksidase

Contoh: suksinat dehidrogenase, asil koA dehidrogenase.

3. Sitokrom

Semua sitokrom diklasifikasikan sebagai enzim dehidrogenase, kecuali

sitokrom oksidase.

Dalam rantai respirasi, terlibat sebagai karier electron dari flavoprotein

menuju sitokrom oksidase.

Sitokrom merupakan hemoprotein yang mengandung besi.

c. Kelompok enzim hidroperoksidase

Enzim hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap senyawa-senyawa

peroksida yang berbahaya. Ada 2 tipe enzim dalam kelompok ini :

1. Peroksidase

Ditemukan dalam air susu, leukosit, trombosit serta jaringan lain yang

terlibat dalam metabolisme eikosanoid.

Gugus prostetik enzim ini adalah protoheme.

Enzim glutation peroksidase, mengandung selenium sebagai gugus

prostetik, mengkatalisis penghancuran H2O2 serta senyawa

hidroperoksida lipid dengan glutation tereduksi, dan melindungi lipid

membrane serta haemoglobin terhadap oksidasi senyawa peroksida.

2. Katalase

Merupakan suatu hemoprotein dengan 4 gugus heme.

Ditemukan dalam darah, sumsum tulang, membrane mukosa, ginjal,

dan hati.

Berfungsi untuk penghancuran hydrogen peroksida yang terbentuk oleh

kerja enzim oksidase.

d. Kelompok enzim oksigenase

Enzim oksigenase mengkatalisis penggabungan oksigen kedalam molekul

substrat, yang berlangsung dalam 2 tahap : 1) Pengikatan oksigen dengan

enzim pada tempat aktif, 2) oksigen yang terikat, direduksi atau dialihkan

kepada substrat. Enzim oksigenase dibagi menjadi 2 sub kelompok :

1. Enzim dioksigenase, terdiri dari :

Enzim mengandung zat besi : homogentisat dioksigenase, 3-

hidroksiantranilat dioksigenase.

Enzim yang menggunakan heme : L-triptofan dioksigenase.

2. Enzim monooksigenase

Ditemukan dalam mikrosom sel-sel hati bersama enzim sitokrom P450

dan sitokrom b5.

Sistem monooksigenase sitokrom P450 mitokondria memetabolisir

obat-obatan, seperti : benzapiren, aminopirin, aniline, morfin, dan

benzfetamin.

Sistem monooksigenase sitokrom P450 mitokondria juga mengkatalisis

reaksi hidroksilasi steroid.

III. Rantai pernafasan dan pembentukan senyawa fosfat berenergi

tinggi

Konsep fosforilasi oksidatif sangat sederhana, tetapi rumit jika ditinjau dari

mekanisme kerjanya. Aliran elektron dari NADH atau FADH2 ke O2 melalui protein

kompleks, yang terdapat pada membran dalam mitokondria akan menyebabkan

proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya terbentuk kekuatan

daya gerak proton yang terdiri dari gradien pH dan potensial listrik

transmembran. Sintesis ATP terjadi jika proton mengalir kembali kedalam matriks

mitokondria melalui suatu kompleks enzim. Jadi oksidasi dan fosforilasi terangkai

melaui gradien proton melintasi membrane dalam mitokondria.

Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak

proton, kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama, dilaksanakan oleh

tiga pompa proton yang digerakkan electron, yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom

reduktase, dan sitokrom oksidase. Kompleks-kompleks transmembran yang

besar ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi, seperti flavin, kuinon,

gugus besi-belerang, hem, dan ion tembaga. Fase kedua, dilaksanakan oleh ATP

sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik

proton kedalam matriks mitokondria.

A. Mitokondria

Mitokondria merupakan organel berbentuk lonjong, dengan panjang

sekitar 2 mikrometer dan diameter 0.5 mikrometer. Mitokondria mengandung

susunan pernafasan, enzim-enzim daur asam sitrat dan enzim-enzim oksidasi

asam lemak. Mitokondria mempunyai dua sistem membran, yaitu membran

luar (outer membrane) dan membran dalam (inert membrane) yang luas.

Membran dalam membentuk lipatan-lipatan yang disebut krista. Terdapat dua

kompartemen dalam mitokondria: ruang intermembran (intermembrane

space) yaitu antara membran luar dan membran dalam; dan matriks yang

dibatasi oleh membrane dalam. Fosforilasi oksidatif berlangsung di membran

dalam mitokondria, sedangkan sebagian besar reaksi daur asam sitrat dan

oksidasi asam lemak berlangsung di dalam matriks.

Membran luar permeabel terhadap sebagian besar molekul kecil dan ion,

karena mengandung banyak porin, protein transmembran dengan pori besar.

Hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat menembus membran.

Segolongan besar protein transport mengangkut metabolit seperti ATP dan

sitrat melalui membran dalam mitokondria kedalam matriks dan sebaliknya.

Gambar 3. Gambaran mitokondria dan bagian-bagiannya.

B. Rantai transport elektron

Elektron ditransfer dari NADH ke Q2 melalui suatu rantai yang terdiri dari

tiga kompleks protein besar : NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase, dan

sitokrom oksidase. Aliran elektron melalui kompleks transmembran ini

menyebabkan terpompanya proton melintasi membran dalam mitokondria.

Pertama elektron dibawa dari NADH-Q reduktase ke sitokrom reduktase,

kompleks kedua rantai pernafasan oleh ubiquinon tereduksi (Q), suatu kinon

hidrofobik yang berdifusi cepat di membrane dalam mitokondria. Ubiquinon

juga mengangkut elektron dari FADH2 (misalnya, terbentuk pada oksidasi

suksinat dalam siklus asam sitrat) ke sitokrom reduktase. Sitokrom c, suatu

protein kecil, mengangkut elektron dari sitokrom reduktase ke sitokrom

oksidase, komponen terakhir rantai pernafasan. NADH-Q reduktase, suksinat-

Q reduktase, sitokrom reduktase, dan sitokrom oksidase disebut juga

kompleks I, II, III, dan IV. Suksinat-Q reduktase (kompleks II) berbeda dengan

kompleks yang lain, tidak memompa proton.

Tabel 1. Komponen rantai transport elektron mitokondria

Kompleks enzim

Massa (kD)

Sub unit

Gugus prostetik

Oksidan atau reduktan

Sisi matriks Inti hidrokarbon

Sisi sitosol

NADH-Q reduktase

Suksinat-Q reduktase

Sitokrom reduktase

Sitokrom oksidase

880

140

250

160

≥34

4

10

10

FMNFe-S

FADFe-S

Hem b-562Hem b-566Hem c1

Fe-S

Hem aHem a3

CuA dan CuB

NADH

suksinat

Q

Q

Q Sit c

Sit c

Langkah-langkah rantai transport elektron secara lebih detail sebagai berikut:

1. Elektron dari NADH masuk rantai respirasi pada NADH-Q reduktase

(kompleks I). Langkah awal adalah pengikatan NADH dan transfer dua

elektron ke FMN, gugus prostetik kompleks ini menjadi bentuk tereduksi

(FMNH2).

NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+

Elektron kemudian ditransfer dari FMNH2 ke gugus Fe-S, gugus prostetik

kedua dalam NADH-Q reduktase. Electron dalam gugus Fe-S kemudian

diangkut ke koenzim Q/ ubiqinon (Q). Ubiqinon mengalami reduksi menjadi

radikal bebas anion semikinon setelah pengambilan satu elektronnya.

Reduksi senyawa antara yang terikat enzim ini kemudian terjadi melalui

pengambilan elektron yang kedua, membentuk ubiqinol (QH2). Aliran dua

elektron dari NADH ke QH, melalui NADH-Q reduktase menyebabkan

terpompanya empat H+ dari matriks ke sisi sitosol membran dalam

mitokondria. Mekanisme konversi potensial elektron menjadi daya gerak

proton belum diketahui.

2. Ubiqinol (QH2) juga merupakan tempat masuknya elektron dari FADH2

yang terbentuk pada daur asam sitrat pada oksidasi suksinat menjadi

fumarat oleh suksinat dehidrogenase. Enzim ini merupakan bagian dari

kompleks suksinat-Q reduktase (kompleks II), suatu protein integral

membran dari membran dalam mitokondria. FADH2 tidak meninggalkan

kompleks. Elektronnya ditransfer kepusat Fe-S, kemudian ke Q untuk

masuk dalam rantai pernafasan. FADH2 dari gliserol fosfat dehidrogenase

dan asil KoA dehidrogenase pada oksidasi asam lemak mentransfer

elektron potensial tinggi ke Q membentuk QH2. Berbeda dengan NADH-Q

reduktase, kompleks suksinat-Q reduktase dan enzim lain yang

mentransfer elektron dari FADH2 ke Q tidak memompa proton, karena

perubahan energi bebas dari reaksi yang dikatalisisnya terlalu kecil,

akibatnya lebih sedikit ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH2 daripada

melalui NADH.

3. Pompa proton kedua rantai pernafasan adalah sitokrom reduktase

(kompleks III) yang mengkatalisis transfer electron dari QH2 ke sitokrom C,

dan secara bersamaan memompa proton melewati membran dalam

mitokondria. Aliran sepasang elektron melalui kompleks ini menyebabkan

transport bersih efektif 2H+ ke sisi sitosol, setengah hasil yang diperoleh

dari NADH-Q reduktase, karena daya gerak termodinamiknya lebih kecil.

Ubiqinol mentransfer satu dari dua elektron tinggi potensialnya ke gugus

Fe-S dalam reduktase. Elektron kemudian diangkut ke sitokrom c1 dan

sitokrom c yang membawanya keluar dari komplek. Transfer satu elektron

mengubah ubiqinol (QH2) menjadi anion semiqinon (Q-), tempat dimana

sitokrom b dengan dua gugus hemnya memulai kerjanya. Dua gugus hem

dari sitokrom b yaitu : hem bL (b-566), terdapat dekat sisi sitosol

membrane, afinitasnya terhadap elektron rendah; hem bH (b-560), terdapat

pada dekat sisi matriks, afinitasnya terhadap elektron lebih tinggi daripada

hem bL. Q- dengan cepat mentransfer elektronnya ke bL dan kemudian

menjadi Q yang bebas berdifusi di dalam membrane. Hem bL kemudian

mereduksi bH yang akan mereduksi Q yang terikat sitosol membentuk Q-.

sampai tahap ini, tugas kompleks baru setengah sempurna karena hanya

satu dari dua elektron dari QH2 yang ditransfer ke sitokrom c. Elektron

lainnya masih dalam bentuk Q- terikat. Molekul QH2 yang kedua kemudian

bereaksi dengan kompleks dengan cara yang sama seperti yang pertama.

4. Sitokrom oksidase, komponen terakhir dari tiga susunan pompa proton

dalam rantai pernafasan, mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom

c (bentuk tereduksi) ke molekul oksigen, akseptor terakhir.

4 sit c (+2) + 4H+ + O2 4 sit c (+3) + 2H2O

Sitokrom oksidase mengandung dua gugus hem A, terdiri dari hem a dan

hem a3, dan dua ion tembaga (Cu), terdiri dari CuA dan CuB. Hem a dekat

dengan CuA dalam subunit II, dan hem a3 disamping CuB dalam subunit I.

Ferositokrom c memberikan elektronnya ke gugus hem a-CuA. satu

elektron kemudian ditransfer ke gugus hem a3-CuB, tempat O2 direduksi

melalui serangkaian langkah menjadi molekul H2O.

C. Pembentukan ATP

Aliran elektron dari NADH (FADH2) ke O2 merupakan suatu proses

eksergonik.

NADH + ½ O2 + H+ H2O + NAD- Go = -52,6 kkal/mol

Energi bebas oksidasi ini digunakan untuk sintesis ATP, suatu proses

endergonik.

ADP + Pi + H+ ATP + H2O Go = + 7,3 kkal/mol

Sintesis ATP dilakukan oleh suatu susunan molekuler dalam dinding

membrane dalam mitokondria, yang disebut ATPase mitokondria / H+ ATPase /

ATP sintase. Bagaimana cara oksidasi NADH (FADH2) terangkai dengan

fosforilasi ADP ? Mula-mula diduga bahwa transfer elektron menyebabkan

terbentuknya senyawa antara kovalen tinggi energi yang berperan sebagai

prekursor ATP. Hipotesis terangkai kimia ini didasarkan pada mekanisme

pembentukan ATP dalam glikolisis (pembentukan 1,3-bifosfogliserat sebagai

senyawa antara tinggi energi. Hipotesis lain adalah energi bebas oksidasi

yang terperangkap dalam konformasi protein yang telah diaktifkan, kemudian

menyebabkan sintesis ATP. Mekanisme lain yang sangat berbeda, dikenal

sebagai hipotesis kemiosmotik, dikemukakan oleh Peter Mitchell (1961), yaitu

bahwa transport elektron dan sintesis ATP terangkai melalui suatu gradien

proton melewati membran dalam mitokondria. Pada model ini, transfer

elektron melalui rantai pernafasan menyebabkan terpompanya proton dari

matriks kesisi lain dari membran dalam mitokondria . kadar H+ menjadi lebih

tinggi pada sisi sitosol dan terbentuk potensial listrik, sehingga sisi sitosol

menjadi positif.

ATP disintesis oleh kompleks enzim ATP sintase yang terdiri dari unit

penghantar proton F0 dan unit katalitik F1. Peran unit F1 pada keadaan normal

adalah menkatalisis sintesis ATP. F1 ini terdiri dari lima jenis rantai polipeptida

33, dengan berat molekul 378 kD. Unit utama ATP sintase lainnya adalah

F0, suatu segmen hidrofobik yang membentang selebar membran dalam

mitokondria. F0 merupakan saluran proton kompleks ini, terdiri dari empat

jenis rantai polipeptida, masing-masing terdapat enam per F1, membentuk

pori transmembran untuk proton. Aliran proton melalui ATP sintase ini

menyebabkan pelepasan ATP yang terikat erat, caranya adalah proton yang

mengalir melalui F0 disalurkan ke bagian katalitik yang terdapat pada F1 dan

mengeluarkan oksigen dari Pi, sehingga keseimbangan reaksi bergeser

kearah sintesis ATP.

Gambar 4. Skema yang menggambarkan rantai transport elektron dan pembentukan ATP

D. Shuttle substrat

Berbagai macam nukleotida yang terlibat di dalam reaksi oksidasi-

reduksi seluler (misalnya : NAD+, NADH, NADP+, NADPH, FAD, dan FADH2) dan

CoA serta derivatnya tidak permiabel terhadap membran dalam mitokondria.

Sehingga, untuk transport ekuivalen pereduksi (misal : proton dan elektron)

dari sitosol ke matriks mitokondria atau sebaliknya, mekanisme shuttle

substrat yang melibatkan perpindahan timbal balik reduksi dan oksidasi

berbagai pasangan oksidasi-reduksi digunakan untuk memenuhi transfer

ekuivalent pereduksi melintasi membran. Dua contoh transfer ekuivalen

pereduksi dari sitosol kedalam matriks mitokindria adalah :

1. Gliserol-fosfat shuttle

Sistem ini menggunakan gliserol 3-fosfat dehidrogenase sitosol untuk

menghasilkan gliserol 3-fosfat dari dihidroksiaseton fosfat dan NADH sitosolik.

Produk gliserol 3-fosfat kemudian dapat berdifusi kedalam matriks

mitokondria. Pada permukaan luar dari membran dalam mitokondria, terdapat

enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase mitokondria yang mengandung gugus

prostetik FAD, yang meregenerasi dihidroksiaseton fosfat dari gliserol 3-fosfat.

Elektron yang ditransfer ke FAD menimbulkan produksi ATP melalui fosforilasi

oksidatif. Shuttle ini diselesaikan dengan difusi dihidroksiaseton fosfat

kedalam sitosol, dimana mampu lagi untuk reduksi enzimatik. Shuttle ini

penting bagi serangga untuk terbang lama yang mengandalkan gula sebagai

sumber energinya. Penelitian pada lalat buah Drosophila melanogaster,

karena tidak mempunyai enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase sitosolik,

sehingga tidak dapat mempertahankan terbang yang lama.

Gambar 5. Mekanisme gliserol-fosfat shuttle

2. Malat-aspartat shuttle

Shuttle ini predominan pada hati dan jantung mamalia. Shuttle melibatkan

enzim malat dehidrogenase dan aspartat aminotransferase sitosol dan

mitokondria. Dalam shuttle ini, ekuivalen pereduksi dari NADH sitosolik

ditransfer ke oksaloasetat untuk menghasilkan L-malat. Kemudian malat

diangkut ke mitokondria, dimana malat direoksidasi menjadi oksaloasetat,

dan NADH yang ditimbulkan dalam reaksi menyebabkan produksi ATP. Untuk

menetapkan kembali fase sitosolik dari shuttle ini, oksaloasetat yang tidak

dapat melintasi membran dikonversi menjadi aspartat oleh enzim aspartat

aminotransferase mitokondria, kemudian diangkut keluar dari mitokondria.

Jika sudah dalam sitosol, terjadi kebalikan dari reaksi transaminase (aspartat

aminotransferase sitosol), dan terjadi regenerasi oksaloasetat. Glutamat dan

-ketoglutarat dalam reaksi transaminasi ini, masing-masing bertindak

sebagai donor- dan akseptor-NH2.

Gambar 6. Mekanisme malat-aspartat shuttle

E. Inhibitor rantai transport elektron

Inhibitor transport elektron tidak ternilai peranannya dalam

mengungkapkan urutan pembawa elektron dalam rantai pernafasan. Contoh

daripada inhibitor transport elektron, rotenon dan amital menghambat rantai

transfer elektron dalam NADH-Q reduktase, sehingga menghambat

penggunaan NADH sebagai substrat, tetapi aliran elektron yang berasal dari

oksidasi suksinat tidak terganggu karena elektronnya masuk melalui QH2

dibelakang penghambat. Suksinat-Q reduktase sendiri dihambat oleh

malonat. Antimisin A mengganggu aliran elektron dari sitokrom bH dalam

sitokrom reduktase. Selanjutnya, aliran elektron dalam sitokrom oksidase

dapat dihambat oleh CN-, N3-, dan CO. Sianida dan azide bereaksi dengan

bentuk feri dari hem a3, sedangkan karbon monoksida menghambat bentuk

fero. Antibiotik oligomisin menghambat sintesis ATP dengan mengganggu

penggunaan gradien proton.

Tabel 2. Inhibitor rantai transport elektron mitokondria

INHIBITOR MITOCHONDRIAL RESPIRATORY CHAIN

Complex I II III IV V

EnzymeNADH-CoQReductase

Succinate-CoQ

Reductase

CoQ-Cytochrome C

Reductase

Cytochrome COxidase

ATP Synthase

Inhibitor RotenoneAmytal

TTFA malonate

Antimycin A

CyanideCarbon

MonoxideAzide

Oligomycin

F. ATP yang dihasilkan dari oksidasi glukosa

Sekarang dapat dihitung berapa banyak ATP yang terbentuk bila glukosa

dioksidasi sempurna menjadi CO2. Jumlah ATP (atau GTP) yang terbentuk

pada glikolisis dan daur asam sitrat dapat diketahui dengan pasti karena

ditetapkan melalui stokiometri reaksi kimia. Sedangkan ATP yang dihasilkan

dari dari fosforilasi oksifatif tidak begitu pasti karena stokiometri pompa

proton, sintesis ATP dan proses transport metabolic tidak harus dalam jumlah

bulat atau nilai yang tetap. Menurut perkiraan, jumlah H+ yang dipompa dari

matriks ke sisi sitosol membrane oleh NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase,

dan sitokrom oksidase per pasangan electron masing-masing adalah 4, 2, dan

4. Sintesis ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui ATP sintase.

Digunakan satu H+ tambahan dalam pengangkutan ATP dari matriks ke

sitosol, dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran

sepasang elektron dari NADH ke O2. Elektron yang masuk pada tahap

sitokrom reduktase, misalnya yang berasal darioksidasi suksinat atau NADH

sitosol, hasilnya adalah kira-kira 1,5 ATP perpasangan elektron. Dengan

demikian terbentuk kira-kira 30 ATP bila glukosa dioksidasi sempurna menjadi

CO2, nilai ini menggantikan perhitungan yang dipakai selama ini yaitu 36 ATP.

Sebagian besar ATP, 26 dari 30 ATP, dibentuk melalui fosforilasi oksidatif.

Tabel 3. ATP yang dihasilkan pada oksidasi sempurna glukosa

Urutan reaksi Jumlah ATP per glukosa

Glikolisis : glukosa menjadi piruvat (di

sitosol)

Fosforilasi glukosa.

Fosforilasi fruktosa 6-fosfat.

Defosforilasi 2 molekul 1,3-BPG.

Defosforilasi 2 molekul fosfoenol piruvat.

Terbentuknya 2 NADH pada oksidasi 2 molekul

gliseraldehida 3-fosfat.

Konversi piruvat menjadi asetil KoA (dalam

mitokondria)

Terbentuknya 2 NADH.

Daur asam sitrat (dalam mitokondria)

Terbentuknya 2 molekul GTP dari 2 molekul

suksinil KoA.

Terbentuknya 6 NADH pada oksidasi masing-

masing 2 molekul isositrat, -ketoglutarat, dan

malat.

Terbentuknya 2 FADH2 pada oksidasi 2 molekul

suksinat.

Fosforilasi oksidatif (dalam mitokondria)

Terbentuknya 2 NADH pada glikolisis; masing-

masing menghasilkan 1,5 ATP (dianggap

transport NADH melalui system angkut

gliserofosfat).

Terbentuknya 2 NADH pada dekarboksilasi

oksidatif piruvat; masing-masing menghasilkan

2,5 ATP.

Terbentuknya 2 FADH2 dalam daur asam sitrat;

masing-masing menghasilkan 1,5 ATP.

Terbentuknya 6 NADH dalam daur asam sitrat;

masing-masing menghasilkan 2,5 ATP.

HASIL TOTAL PER GLUKOSA

-1

-1

+2

+2

+2

+3

+5

+3

+15___

+30

G. Penyakit-penyakit mitokondria

Beberapa macam mutasi NADH-Q reduktase menyebabkan kelainan

neuropati optik herediter leber, kebutaan yang diturunkan melalui ibu dan

biasanya menyerang di usia pertengahan. Sebagian mutasi menyebabkan

gangguan penggunaan NADH, sedangkan yang lain menghambat transfer

electron ke Q. Keadaan yang disebut disfungsi renal dan miopati mitokondria

infantilis fatal melibatkan tidak adanya atau berkurangnya sebagian besar

enzim reduktase dalam rantai respirasi. MELAS (mithochondrial myopathy,

encephalopathy, lactic acidosis dan stroke) merupakan kelainan bawaan yang

disebabkan oleh NADH, yaitu defisiensi ubiqinon oksidoreduktase (kompleks

I) atau sitokrom oksidase.

Penutup

I. Ringkasan

1. Dalam berbagai system biologi, seperti halnya system kimiawi, peristiwa

oksidasi selalu disertai reduksi akseptor elektron.

2. Enzim oksidoreduktase diklasifikasikan ke dalam 4 kelompok, yaitu :

oksidase, dehidrogenase, hidroperoksidase, dan oksigenase.

3. Enzim oksidase dan dehidrogenase memiliki berbagai peranan dalam

metabolisme, tetapi peranan utama kedua kelompok enzim ini terletak

dalam pernafasan.

4. Enzim hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap kerusakan radikal

bebas, dan enzim oksigenase sebagai perantara reaksi hidroksilasi obat

serta steroid.

5. Pada hakekatnya semua energi yang dilepaskan dari oksidasi karbohidrat,

lemak, dan protein akan tersedia dalam mitokondria sebagai unsure

ekuivalen pereduksi (-H atau e-), yang akan dibawa kerantai respirasi yang

kemudian dialirkan di bawah gradien redoks ke reaksi yang terakhir

dengan oksigen untuk membentuk air.

6. Karier redoks dikelompokkan ke dalam kompleks rantai respirasi didalam

membran dalam mitokondria. Kelompok karier ini menggunakan energi

yang dilepas dalam gradien redoks untuk memompa proton kesebelah luar

membran mitokondria dengan menghasilkan potensial elektrokimia

melewati membran tersebut.

7. Kompleks ATP sintase menggunakan potensial energi gradien proton untuk

mensintesis ATP dari ADP dan Pi, sehingga oksidasi akan terangkai erat

dengan fosforilasi untuk memenuhi kebutuhan energi pada sel.

8. Banyak racun yang sudah dikenal baik (misalnya sianida, karbon

monooksida) mengganggu pernafasan dengan menghambat rantai

respirasi.

II. Soal-soal latihan

1. Berapa ATP yang dihasilkan bila masing-masing substrat berikut dioksidasi

sempurna menjadi CO2, dimana proses-proses glikolisis, daur asam sitrat

dan fosforilasi oksidatif dalam keadaan sangat aktif ?

a. Piruvat

b. Laktat

c. Fruktosa 1,6-bifosfat

d. Fosfoenolpiruvat

e. Galaktosa

f. Dihidroksiaseton fosfat

2. Bagaimana pengaruh masing-masing inhibitor berikut ini pada transport

elektron dan pembentukan ATP melalui rantai pernafasan ?

a. Azida

b. Atraktilosida

c. Rotenon

d. DNP

e. Karbon monoksida

f. Antimisin A

3. Pemberian nitrit dengan segera merupakan terapi yang sangat efektif

untuk keracunan sianida. Jelaskan dasar kerja antidotum ini ?

4. Mengapa digunakan FAD dan bukan NAD+ sebagai akseptor elektron dalam

reaksi yang dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase ?

Referensi

1. Murray, RK., Granner, DK., Mayes, PA., Rodwell, VW. 2003. Harper’s

Illustrated Biochemestry. 26thEd. A Lange Medical Book.

2. Stryer, L. 2001. Biochemestry. 2ndEd. Stanford University. New York.

3. Lehninger, AL. Principles of Biochemistry, Worth Publishers, Inc, 1999.

4. Suttie J.W., Introduction to Biochmestry Holt, Rinchart and wiston, New

York N.Y., 2000.

5. Murray R. K., Granner D. K., Mayes P. A., and Rodwell V. W., Biokimia

Harper (Terjemahan), Edisi 24, Penerbit Buku Kedokteran, EGC, Jakarta,

1999.