TUGAS BIOKIMIAMITOKONDRIA DAN FOSFORILASI OKSIDATIF

Dosen pengampu:Edhyana Sahiratmadja, dr, PhD

Disusun Oleh :Susan Tarawifa(130120140504)

PASCASARJANA ILMU KEDOKTERAN DASARFAKULTAS KEDOKTERANUNIVERSITAS PADJADJARAN2015

MITOKONDRIA

A. Struktur MitokondriaMitokondria dikenal sebagai pusat tenaga sel. Mitokondria banyak terdapat pada sel yang memilki aktivitas metabolisme tinggi dan memerlukan banyak ATP dalam jumlah banyak, misalnya sel otot jantung. Mitokondria bertindak seperti sistem pencernaan yang mengambil nutrisi, dan menciptakan energi untuk sel. Jumlah dan bentuk mitokondria bisa berbeda-beda untuk setiap sel. Mitokondria berbentuk elips dengandiameter0,5 m dan panjang 0,5 1,0 m. Proses menciptakan energi sel dikenal sebagai respirasi sel. Sebagian besar reaksi kimia yang terlibat dalam respirasi selular terjadi di mitokondria. Sebuah mitokondria berbentuk sempurna untuk memaksimalkan kinerjanya.

Gambar 1. Struktur mitokondria

Struktur mitokondria terdiri dari empat bagian utama, yaitu :1. Membran luarMembran luar terdiri dari protein dan lipid dengan perbandingan yang sama serta mengandung protein khusus yang disebut porin yang menyebabkan membraninibersifat permeabel terhadap molekul-molekul kecil yang berukuran 6000Dalton. Membran luar halus seperti membran dalam dan memiliki fosfolipid hampir dalam jumlah yang sama sebagai protein. Dalam hal ini, membran luar mitokondria menyerupai membran luar bakteri gram-negatif. Membran luar benar-benar permeabel terhadap molekul nutrisi, ion, dan molekul ATP ADP. Selain itu, membran luar juga mengandung enzim yang terlibat dalam biosintesis lipid dan enzim yang berperan dalam proses transpor lipid ke matriks untuk menjalani -oksidasi menghasilkan.2. Membran DalamMembran dalam lebih kompleks dalam struktur daripada membran luar karena mengandung kompleks dari rantaitransporelektron dan kompleks sintetase ATP. Membran dalam yang kurang permeabel dibandingkan membran luar terdiri dari 20% lipid dan 80% protein. Membran ini merupakan tempat utama pembentukan ATP. Luas permukaan ini meningkat sangat tinggi diakibatkan banyaknya lipatan yang menonjol ke dalam matriks, disebut krista. Stuktur krista ini meningkatkan luas permukaan membran dalam sehingga meningkatkan kemampuannya dalam memproduksi ATP. Membran dalam mengandung protein yang terlibat dalam reaksi fosforilasi oksidatif, ATP sintase yang berfungsi membentuk ATP pada matriks mitokondria, serta protein transpor yang mengatur keluar masuknya metabolit dari matriks melewati membran dalam.3. Ruang Antar MembranRuang antar membran yang terletak di antara membran luar dan membran dalam merupakan tempat berlangsungnya reaksi-reaksi yang penting bagi sel, seperti siklus Krebs, reaksi oksidasi asamamino, dan reaksi -oksidasi asam lemak. Di dalam matriks mitokondria juga terdapat materi genetik, yang dikenal denganDNAmitkondria (mtDNA), ribosom, ATP, ADP, fosfat inorganik serta ion-ion seperti magnesium, kalsium dan kalium.4. MatriksMatriks merupakan campuran kompleks enzim yang penting untuksintesismolekul ATP, ribosom mitokondria khusus, RNA dan DNA mitokondria. Selain itu, ia memiliki oksigen, karbon dioksida dan intermediet daur ulang lainnya.

B. Fungsi MitokondriaPerananan utama mitokondria adalah sebagai organel yang menghasilkan energi bagi sel berupa ATP. Energi yang dihasilkan merupakan hasil konversi gula melalui proses fosforilasi oksidatif dan menghasilkan sekitar 90% energi tunuh sehingga seringkali disebut the power house.

Gambar 2. Tiga tahap respirasi sel dalam mitokondriaTahap pertama adalah pembentukan asetyl Co-A. Tahap kedua adalah oksidasi gugus asetil dalam siklus asam sitrat di mitokondria. Tahap ketiga adalah produksi ATP melalui sistem transpor elektron dan fosforilasi oksidatif.

Pada gambar 2 diilustrasikan secara umum tiga tahap respirasi yang terjadi dalam mitokondria. Pada tahap glikolisis, dihasilkan dua molekul ATP dan molekul piruvat yang kemudian masuk ke dalam siklus krebs untuk dioksidasi menjadi CO2 dan air. Pada siklus asam sitrat ini dihasilkan sekitar tiga puluh ATP untuk setiap molekul glukosa yang masuk ke dalam glokolisis. Proses pembentukan energi ini dikenal sebagai fosforilasi oksidatif (OXPHOS) yang terdiri atas lima tahapan reaksi enzimatis dan melibatkan kompleks enzim pada membran dalam mitokondria. Pada fosforilasi oksidatif, molekul berenergi tinggi NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari katabolisme karbohidrat, lipid dan protein, akan dijadikan substrat untuk diubah menjadi ATP. Selain itu mitokondria juga dapat berfungsi untuk:a. menjaga konsentrasi ion kalsium yang tepat dalam berbagai kompartemen sel. Mitokondria membantu sel-sel untuk mencapai tujuan ini dengan melayani sebagai tangki penyimpanan ion kalsium.b. Mitokondria dalam sel-sel hati memiliki enzim yang mendetoksifikasi amonia.c. proses kematian sel terprogram atau apoptosis. Kematian sel abnormal akibat disfungsi mitokondria dapat mempengaruhi fungsi organ

C. DNA Pada MitokondriaMitokondria adalah organel istimewa karena memiliki DNA tersendiri. DNA mitokondria disebut dengan mtDNA atau mitochondrial DNA. Struktur MtDNA berpilin ganda, sirkular, serta tidak memiliki membran. MtDNA mirip dengan DNA bakteri. Karena itulah timbul banyak hipotesis yang timbul, salah satunya menyebut bahwa mitokondria dulunya merupakan makhluk hidup independen seperti bakteri, yang kemudian bersimbiosis dengan organisme eukariotik.Teori tersebut dikenal dengan nama teori Endosimbion. Menurut teori tersebut, pada makhluk tingkat tinggi atau eukariotik, DNA mitokondria yang diturunkan kepada sel-sel anak hanya berasal dari induk betina saja atau dari mitokondria sel telur. Sedangkan DNA mitokondria jantan tidak masuk ke dalam sel telur, hal ini disebabkan karena letak DNA jantan yang berada di ekor sperma. Padahal ekor sperma tidak ikut masuk sel telur. Jadi DNA mitokondria jantan tidak diturunkan.

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.

Gambar 3. Fosforilasi oksidatif

Gambar diatas menjelaskan adanya kompleks enzim yang terlibat dalam proses transpor elektron terdiri dari kompleks I (NADH dehidrogenase), komplek II (suksinat dehidrogenase), komplkes III (koenzim Q- sitokrom C). Kompleks I menerima elektron dari NADH dan mengalirkannya menuju koenzim Q, bersamaan dengan pemompaan proton dari matriks menuju ruang antar membran. Selain itu, koenzim-Q juga akan menerima elektron dari FADH2 yang dihasilkan oleh siklus krebs dan elektron dari kompleks III. Elektron dari koenzim-Q ini kemudian dialirkan menuju sitokrom C dan proses ini menyebabkan empat proton terpompa dari matriks menuju ruang antar membran. Proses saat elektron ini dialirkan dari sitokrom C menuju O2 dan O2 direduksi menjadi H2O, dilakukan oleh kompleks IV yang menhasilkan dua proton untuk dipompa dari matriks menuju ruang antar membran.Proses pemompaan proton dari matriks menuju ruang antar membran mitokondria (reaksi transpor elektron) di atas menyebabkan terbentuknya gradien elektrokimia yaitu pH diruang antar membran yang lebih rendah dibandingkan pH dalam matriks mitokondria. Perbedaan proton ini mengandung energi potensial sehingga bila proton mengalir kembali melalui kompleks V (ATP sintase), maka energi ddilepas dan menggerakkan sintesis ATP dari ADP dan fosfat inorganik.Berikut adalah kompleks enzim dalam transpor elektron :

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 [2Fe2S] maupun [4Fe4S] dalam kompleks I.

1. 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.

1. Q-sitokrom c oksidoreduktase (kompleks III)

Q-sitokrom c oksidoreduktase juga dikenal sebagai sitokrom c reduktase, kompleks sitokrom bc1, atau kompleks III.

1. Sitokrom c oksidase (kompleks IV)

Sitokrom c oksidase, juga dikenal dengan nama kompleks IV, adalah kompleks protein terakhir pada rantai transpor elektron.

1. 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.