ATPase

ATP sintase atau ATPase merupakan suatu enzim yang dapat mensintesis adenosin

trifosfat ( ATP) dari adenosin difosfat (ADP) dan anorganik fosfat (P1) dengan Gradien proton

H+. Beberapa enzim tersebut adalah protein membran integral (berlabuh dalam membran

biologis), dan zat terlarut bergerak melintasi membran, biasanya melawan gradien konsentrasi

(ATPase transmembran). ATP sintase terdapat pada membran mitokondria. Strukturnya dari

terdiri subkompleks Fo (cakram subunit-subunit protein C) dan komplek F1 (subunit γ, 3 subunit

α dan 3 subunit β). Fo membentuk kanal ion. F1 berisi pusat katalitik, dan bertanggung jawab

atas pengangkutan ion hidrogen.

Fungsi Na + / K + ATPase

ATPase transmembran mengimpor banyak metabolit yang diperlukan untuk metabolisme sel

dan racun ekspor, limbah, dan zat terlarut yang dapat menghambat proses seluler. Sebuah contoh

penting adalah exchanger natrium-kalium (atau Na + / K + ATPase), yang menetapkan

keseimbangan konsentrasi ionik yang mempertahankan potensial sel. Contoh lain adalah kalium

ATPase hidrogen (H + / K + ATPase atau lambung pompa proton). Selain penukar, kategori lain

dari ATPase transmembran termasuk co-transporter dan pompa (namun, beberapa exchanger

juga pompa).

Mekanisme kerjanya :

Daya gerak proton menghasilkan ATP sintase di membran yang jika terdapat Pi + ADP akan

membentu ATP, ATP sintesa terbenam di membran dalam, bersama dengan kompleks rantai

respiratorik. Beberapa subunit protein ini memiliki bentuk seperti bola yang tersusun mengitari

sebuah sumbu yang dikenal sebagai F1, yang menonjol kedalam matriks dan berperan dalam

mekanisme fosforilasi. F1 melekat pada suatu kompleks protein membran yang dikenal sebagai

F0 yang juga terdiri dari beberapa subunit protein. F0 menembus membran mitokondria dan

membentuk suatu kanal proton. Aliran proton melalui F0 menyebabkan F0 berputar dan memicu

produksi ATP dikomplek F1. Hal ini diperkirakan terjadi melalui suatu binding change

mechanism dengan perubahan konformasi β subunit di F1 berubah suatu sumbuh berputar dari

konformasi yang mengikat ATP secara erat ke konformasi yang membebaskan ATP dan

mengikat ADP dan P1 sehingga dapat dibentuk ATP berikutnya. Menurut perkiraan untuk setiap

NADH yang teroksidasi, kompleks I dan III masing – masing memindahkan empat proton dan

kompleks IV memindahkan dua proton.

ATPase transmembran memanfaatkan energi potensial kimia ATP, karena mereka melakukan

kerja mekanik: zat terlarut transportasi mereka ke arah yang berlawanan dengan arah

termodinamika atau melawan gradien konsentrasi yaitu, dari sisi membran mana mereka berada

dalam konsentrasi rendah ke sisi di mana mereka berada dalam konsentrasi tinggi. Proses ini

dianggap transpor aktif.

Ada berbagai jenis ATPase (berdasarkan fungsi dan struktur):

1. F-ATPase (F1FO-ATPase) di mitokondria, kloroplas dan membran plasma bakteri

adalah penghasil utama ATP, dengan menggunakan gradien proton yang dihasilkan oleh

fosforilasi oksidatif (mitokondria) atau fotosintesis (kloroplas).

2. V-ATPase (V1VO-ATPase) terutama ditemukan dalam vakuola eukariotik, catalysing

hidrolisis ATP untuk mengangkut zat terlarut dan pH lebih rendah pada organel seperti

pompa proton dari lisosom.

3. A-ATPase (A1AO-ATPase) ditemukan dalam Archaea dan fungsi seperti F-ATPase

4. P-ATPase (E1E2-ATPase) ditemukan pada bakteri, jamur dan di membran plasma

eukariotik dan organel, dan fungsi untuk mengangkut berbagai ion yang berbeda di

seluruh membran.

5. E-ATPase adalah sel-permukaan enzim yang menghidrolisis berbagai NTP, termasuk

ATP ekstraseluler.

P-ATPase (kadang dikenal sebagai E1-E2 ATPase) ditemukan pada bakteri dan di beberapa

membran plasma eukariotik dan organel. Namanya adalah karena keterikatan waktu singkat

fosfat anorganik pada residu aspartat pada saat activation. P-ATPase berfungsi untuk

mengangkut berbagai senyawa yang berbeda, termasuk ion dan fosfolipid, melintasi

membran menggunakan hidrolisis ATP untuk energi. Ada kelas yang berbeda dari P-

ATPase, yang masing-masing mengangkut jenis tertentu ion: H +, Na +, K +, Mg2 +, Ca2 +,

Ag + dan Ag2 +, Zn2 +, Co2 +, Pb2 +, Ni2 +, Cd2 +, Cu + dan Cu2 +. P-ATPase dapat

terdiri dari satu atau dua polipeptida, dan biasanya dapat mengasumsikan dua konformasi

utama yang disebut E1 dan E2.

Na+/K+ ATPase pump

 

Pompa 2 K + masuk ke dalam dan 3 Na + keluar

- Penting bagi banyak fungsi seluler (keseimbangan osmotik sel)

- 3 Na + keluar untuk setiap 2 K + ion keluar

- Menggunakan ATP sebagai sumber energi

- Pengikatan fosfat dari ATP mengakibatkan perubahan konformasi yang memungkinkan ion

untuk diangkut

- Residu asparate menjadi terfosforilasi dan transfer energi mengubah bentuk konformasi protein

- Situs binding Na + menghubungkan dari afinitas tinggi di dalam ke afinitas rendah di luar

untuk memungkinkan pengikatan Na + di dalam dan pelepasan Na + ion di luar.

- Situs binding K + menghubungkan dari afinitas tinggi di luar ke rendah afinitas di dalam untuk

alasan yang sama seperti Na+

- Dapat diblokir dengan digitalis

- Pompa diblokir tidak dapat mengangkut ion melintasi membran dan gradien kimia untuk Na

dan K perlahan-lahan menghilang berangsur-angsur, resting potensial berubah.

- Potensi dibangun dalam ion Na + akan digunakan oleh banyak proses yaitu cotransporters yang

berbeda, sinyal saraf dll

Ca+2 ATPase pump

Pompa 2 Ca +2 ion keluar untuk setiap 1 ATP molekul yang digunakan

- Menggunakan ATP untuk mendorong Ca +2 melawan gradien konsentrasi yang sangat besar

- Internal binding sites Ca++ memiliki afinitas yang sangat tinggi (untuk mengatasi rendahnya

konsentrasi Ca +2 di dalam sel)

- Transfer energi dari ATP ke aspartat dari Ca + ATPase menyebabkan perubahan konformasi

protein dan Ca +2 diangkut melintasi membran

- Ca +2 binding sites di luar memiliki afinitas rendah sehingga Ca +2 dilepaskan

- Transfer energi dari ATP untuk pompa memicu perubahan konformasi yang bergerak protein

dan memungkinkan translokasi Ca +2 melintasi membran. Pada saat yang sama +2 situs

mengikat Ca berubah dari tinggi ke afinitas rendah.

- Dalam sel otot Ca +2 ATPase adalah protein utama yang ditemukan dalam membran retikulum

sacrcoplasmic (SR). Seperti yang akan kita lihat SR adalah sebuah situs penyimpanan untuk Ca

+2 yang rilis untuk mendorong kontraksi otot. Ca+2 ATPase akan menghilangkan kelebihan

Ca +2 dari sitoplasma dan memompa ke dalam lumen SR. 80% dari protein di SR adalah Ca

+2 ATPase.

Mekanisme Pompa Kalsium

Kalsium  merupakan second messenger yang sangat banyak digunakan pada berbagai

fungsi sel. Konsentrasi kalsium dalam sitosol sangat kecil (10-20 nM), di ekstrasel sebesar 1-2

mM. Di dalam sel, kalsium tersimpan di dalam retikulum ndoplasma (pada sel saraf) atau di

retikulum sarcoplasma (pada sel otot). kalsium di RE dilepaskan jika terjadi ikatan antara IP3

denganIP3-gated kalsium channel.

Fungsi ion Ca++ antara lain:

1. Kontraksi otot

2. Pelepasan neurotransmitter pada sel saraf

3. Eksositosis pada secretory cells, contoh: histamine

Konsentrasi ion Kalsium pada CES normalnya sekitar 2,4 mEq/L. Bila konsetrasi ion

kalsium turun melewati batas normal (hipokalsemia), maka akan timbul rangsangan pada sel-sel

saraf dan otot yang meningkat dengan nyata dan pada beberapa keadaan yang ekstrem dapat

menyebabkan tetani hipokalsemik yang ditandai dengan kekekuan otot. Sedangkan pada keadaan

dimana konsentrasi ion Kalsium melebihi nilai normalnya (hiperkalsemia), yang menekan

ambang rangsang pada neuromuskular yang berakibat aritmia jantung.

Ion kalsium secara aktif diabsorbsi ke dalam darah terutama dari duodenum dan jumlah

absorbsi ion kalsium dikontrol sangat tepat untuk memenuhi kebutuhan harian tubuh akan

kalsium. Faktor penting yang mengontrol absorbsi kalsium adalah PTH yang disekresikan oleh

kelenjar paratiroid, dan vitamin D.

Mekanisme Pompa kalsium

Peristiwa sinyal sering melibatkan masuknya kalsium melintasi membran plasma, atau

pelepasan kalsium dari sarcoplasmic atau retikulum endoplasma, di mana peningkatan kalsium

cytosolic dapat memulai atau mengubah proses seluler. Semua proses selular diatur oleh

konsentrasi kalsium cytosolic, mulai dari transkripsi DNS dan kelangsungan hidup sel untuk

melepaskan neurotransmiter dan fungsi otot. Untuk menggunakan kalsium sebagai sinyal

molekul, sel harus menciptakan gradien melintasi membran kalsium. Untuk mendapatkan

konsentrasi gradien, ion kalsium harus aktif melintasi membran dipompa melawan konsentrasi

gradien. Sel menggunakan pompa kalsium untuk mengarahkan aliran ion kalsium melalui

membran plasma atau membran organel, dan gradien yang dihasilkan digunakan dalam berbagai

sistem sinyal menggunakan gated kanal ion. Pompa kalsium ATPase yang mengangkut ion

melintasi membran menggunakan energi yang diperoleh dari hidrolisis ATP.

            Kalsium ATPase merupakan bagian dari pompa ion, yang bertanggung jawab atas ATP-

dependent transpor aktif ion-ion di berbagai membran selular. ATPase tersebar luas di seluruh

filogenetik, dan termasuk transporter seperti pompa natrium / kalium dan pompa lambung

hidrogen / kalium, yang sangat penting dalam membangun berbagai gradien ion dalam sel.

ATPase berasal dari mekanisme, yang melibatkan P hosphorylation dari residu aspartat (Asp351)

menggunakan fosfat pada ATP, yang mengakibatkan perubahan pembentukan, baik dalam

sitoplasma mengikat ATP-domain dan kalsium - mengikat transmembran domain, sehingga  ion

melintasi membran.   Selanjutnya dari ion kalsium menyebabkan hidrolisis aspartyl dari gugus

fosfat, kembali ke pembentukan pompa semula.

            Mekanisme pompa kalsium dalam kontraksi dan relaksasi

            Stimulasi elektrik miosit menyebabkan kalsium melalui saluran kalsium pada tubulus T.

Tubulus T adalah invaginasi membran sel yang berhubungan dengan tiap sarkomer dan influks

kalsium yang menyebabkan pelepasan lebih lanjut kalsium intraseluler dari retikulum

endoplasma. Peningkatan kalsium intraselular menyebabkan kepala miosin bergerak disepanjang

sarkomer sehingga menghasilkan kontraksi miokard, koversi ATP menjadi ADP memberikan

energi yang dibutuhkan. Peningkatan konsentarasi kalsium intraselular mengaktivasi pompa

kalsium/ ATP-ase, mengembalikan kalsium ke retikulum endoplasma dan juga mengaktifkan

saluran pertukaran kalsium, tergantung natrium yang mengeluarkan kalsium ke ruang

ekstraselular. Penurunan kalsium intraselular menyebabkan relaksasi miokard. Miosit memiliki

sangat banyak mitoondria dan pelepasan energi dari jalur metabolik meregenerasi ATP dari ADP

dan Fosfat.

Konsentrasi kalsium intraseluler di jantung dan sel otot polos pembuluh darah pada kisaran 10-7

sampai 10-5 M. konsentrasi kalsium ekstraseluler adalah sekitar 2 × 10-3 M (2 mM). Oleh

karena itu, ada gradien kimia untuk kalsium untuk berdifusi ke dalam sel. Karena sel-sel

memiliki resting membrane potential  negatif (sekitar -90 mV dalam miosit jantung), ada juga

kekuatan pendorong kalsium listrik ke dalam sel. Namun, kecuali selama potensial aksi ketika

permeabilitas membran sel untuk kalsium meningkat, ada sedikit kebocoran kalsium ke dalam

sel. Kalsium yang masuk sel selama potensial aksi (misalnya, selama depolarisasi

pacemaker dan non-pacemaker jantung) harus dikeluarkan dari sel lain merupakan akumulasi

kalsium akan menyebabkan disfungsi seluler.

Kalsium akan digerakkan dari sel oleh dua mekanisme dasar. Mekanisme pertama melibatkan

ATP-dependent Ca + + pompa yang secara aktif menghilangkan kalsium dari sel. Mekanisme

kedua adalah exchanger natrium-kalsium. Mekanisme yang tepat dimana pertukaran ini belum

diketahui dengan jelas. Hal ini diketahui bahwa kalsium dan natrium dapat bergerak di kedua

arah di sarcolemma tersebut. Selanjutnya, tiga ion natrium dipertukarkan untuk setiap kalsium,

sehingga potensi electrogenic kecil (beberapa millivolt) yang dihasilkan oleh exchanger ini. Arah

gerakan ion-ion ini (baik dalam atau ke luar) tergantung pada potensial membran dan gradien

kimia untuk ion. Ketika potensial membran negatif (misalnya, dalam sel beristirahat), exchanger

mengangkut Ca + + keluar sebagai Na + memasuki sel. Ketika sel tidak terpolarisasi dan

memiliki potensial membran positif, exchanger bekerja dalam arah yang berlawanan (yaitu, Na +

keluar dan Ca + + memasuki sel). Oleh karena itu, selama sistol ventrikel ketika miosit

depolarisasi, Ca + + memasuki sel melalui exchanger ini. Sebaliknya, selama diastol ventrikel

ketika sel berada repolarisasi, Ca + + meninggalkan sel melalui exchanger ini.

Kita juga tahu bahwa peningkatan konsentrasi natrium intraseluler menyebabkan peningkatan

konsentrasi kalsium intraseluler melalui pertukaran ini. Hal ini memiliki implikasi fisiologis

yang penting. Salah satu contoh kejadian ini adalah ketika aktivitas Na + / K +-ATPase pompa

menurun. Pada kondisi yang membutuhkan energy ini, pompa ATP-dependent mengangkut

sodium keluar dari sel dan kalium ke dalam sel. Ketika aktivitas pompa ini berkurang, misalnya,

oleh hipoksia seluler (yang menyebabkan tingkat ATP menurun) atau dengan inhibitor kimia

pompa ini seperti digitalis, maka konsentrasi intraseluler Na + meningkat.