RANTAI RESPIRASI dan FOSFOLIRASI AKSIDATIF.docx

MAKALAH SEMINAR RANTAI RESPIRASI dan FOSFOLIRASI AKSIDATIF

Di susun oleh : Kelompok 1 Adhe Sylvia Afriyanti Adi Rizkika Ayu inanti

AKADEMI KEPERAWATAN PEMPROV KALTIM TAHUN AKADEMIK 2012-2013 IA i

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya ucapkan kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan makalah ini tepat pada waktunya. Makalah ini merupakan salah satu tugas mata kuliah Biokima yang di berikan oleh Dosen pengajar. Dalam makalah ini kami membahas tentang Rantai Respirasi dan Fosforilasi Oksidatif, dengan harapan dapat membantu untuk lebih memahami materi pada mata kuliah Biokimia. Dalam pembuatan makalah ini, saya

menyadari adanya berbagai kekurangan, baik dalam

isi materi maupun

 penyusunan kalimat. Namun demikian, perbaikan merupakan hal yang berlanjut sehingga kritik dan saran untuk penyempurnaan makalah ini sangat penulis harapkan. Akhir kata saya ucapkan terima kasih kepada Dosen dan teman-teman sekalian yang telah membaca dan mempelajari makalah ini.

ii

DAFTAR ISI

Halaman judul

……………………………………………………………

i

Kata Pengantar …………………………………………………………. ii Daftar Isi ………………………………………………………………..  iii Bab I PENDAHULUAN A. Latar Belakang ….. …………………….…………………… 1 B. Tujuan Penulisan……………………………………………… 1

Bab II PEMBAHASAN A. Enzim spesifik berfungsi sebagai penanda kompartemen - kompartemen yang dipisahkan membrane mitokondria …………………………………..….…………….

2

B. Rantai respiratorik mengoksidasi ekuivalen pereduksi dan bertindak pompa proton ………………………………………………………………….

2

C. Transpor Elektron Melalui Rantai Respiratorik Menghasilkan Gradien Proton yang memicu pembentukkan ATP ……………………………………………………………. D. Rantai

respiratorik

menghasilkan

sebagian

besar

energy

3 yang

……………………………………………………………….….

3

E.

Banyak racun yang menghambat rantai respiratorik …………...

5

F.

Teori

Kemiosmotik

dapat

menjelaskan

Kontrol

Respirasi

…………………………………………………………………

ditangkap

dan

selama

Kerja

katabolisme

Pemisah

Kopel

6

G. Impermeabilitas Relatif Membran dalam Mitokondria memerlukan Transporter Penukar ………………………………………………………………… H.

6

Gambar  –   gambar yang berhubungan dengan proses Rantai Respiratorik dan Fosfolirasi OksidatiF …………………………………………………….. ………….

9

Bab III PENUTUP A. Kesimpulan ……………………………………………………..

11

B. Saran ……………………………………………………………

11

Daftar Pustaka ………………………………………………… ..……….

iv

iii

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Organisme aerob mampu menangkap lebih banyak energy bebas dalam substrat respiratorik daripada organisme anaerob. Sebagian besar proses ini berlangsung dalam mitokondria yang disebut sebagai “Powerhouse” sel. Respirasi digabungkan dengan  pembenyukkan zat antara beerenergi-tinggi yaitu ATP: oleh fosfolirasi oksidatif. Sejumlah obat misalnya amobarbital dan racun (misalnya, sianida, karbon monoksida) menghambat fosfolirasi oksidatif dan biasanya berakibat fatal. Beberapa kelainan herediter pada mitokondria yang melibatkan komponen komponen rantai respiratorik dan fosfolirasi oksidatif pernah dilaporkan. Pasien datang dengan miopati dan ensefalopati dan sering mengalami asidosi laktat. Pada keadaan yang dikenal sebagai disfungsi ginjal dan miopati mitokondria infantile fatal, terjadi penurunan hebat atau ketiadaan sebagian besar oksidoreduktase

dalam rantai respiratorik. MELAS ( ensefaopati mitokondria, asidosis laktat, dan stroke) adalah suatu sindrom heredeter akibat defisiensi NADH:Q oksireduktase (Kompleks I) atau sitokrom oksidase (kompleks IV). Sindrom ini disebabkan oleh mutasi DNA mitokondria dan mungkin terlibat dalam pathogenesis penyakit Alzheimer dan diabetes mellitus. Sejumlah obat dan racun bekerja dengan menghambat fosfolirasi oksidatif.

B. Tujuan Penulisan Diharapkan pembaca mampu mmengerti dan memahami proses kimia didalam  beserta zat-zat yang berperan dalam proses kimiawi di dalm tubuh.

1

BAB II PEMBAHASAN

A. Enzim spesifik berfungsi sebagai penanda kompartemen-kompartemen yang dipisahkan membrane mitokondria

Mitokondria memiliki membran luar yang permeable terhadap sebagian besar metabolit dan membran dalam yang permeable selektif dan membungkus matriks didalamnya. Membrane luar ditandai oleh adanya berbagai enzim, termasuk asil-KoA sintetase

dan

gliserolfosfat asiltransferase. Adenilil kinase

dan

gliserolfosfat

asitransferase. Adenilil kinase dan keratin kinase ditemukan di ruang antarmembran. Fosfolipid kardiolipin terkonsetrasi di membran dalam bersama dengan enzim rantai respiratorik, ATP sintase dan berbagai transporter membrane.

B. Rantai respiratorik mengoksidasi ekuivalen pereduksi dan bertindak pompa proton

Sebagian besar energi yang dibebaskan selama oksidasi karbohidrat, asam lemak dan asam amino terdapat di dalam mitokondrian sebagai ekuivalen pereduksi. Enzim-enzim siklus asam sitrat dan oksidasi beta terdapat di dalm mitokondria, bersamaan dengan rantai respiratorik yang mengumpulkan dan mengangkut ekuivalen pereduksi, serta mengarahkan enzim-enzim tersebut menuju reaksi akhir dengan oksigen untuk menghasilkan air dan komponen fosfolirasi oksidatif, yaitu proses penyerapan energi  bebas yang dihasilkan sebagai fosfat berenergi-tinggi.

Komponen rantai respiratorik terkandung dalam Empat Kompleks Protein Besar  pada Membran Elektron mengalir mealalui rantai respiratorik pada potensial redoks. (Kompleks I) NADH-Q

oksidoreduktase ¸(Kompleks II) suksinat Q reduktase , (Kompleks III 2

Q-sitokrom c    oksidoreduktase ,

(Kompleks IV) sitrokom c    oksidase. Keempat

kompleks ini terbenam di membrane mitokondria, tetapi Q dan sitkrom c bersifat mobil. Q cepat berdifusi didalam membran, sementara stokrom c  merupkan suatu protein terlarut. Q Menyerap electron melalui kompleks I dan kompleks II, siklus Q menggabungkan transfer electron dengan transport proton di kompleks III, lalu Oksigen molecular

tereduksi

menjadi

air

melalui

kompleks

IV.

C. Transpor Elektron Melalui Rantai Respiratorik Menghasilkan Gradien Proton yang memicu pembentukkan ATP

Aliran electron melalui rantai respiratorik menghasilkan ATP melalui proses fosfolirasi oksidatif. Teori kemiosmotik,   yang dikemukakan oleh Peter Mitchell pada

tahun 1961, mendalilkan bahwa kedua proses ini berkopel dengan gradient proton yang melewati membran dalam mitokondria sehingga daya gerak proton yang ditimbulkan oleh perbedaan potensial elektrokimia (negative di sisi matriks) memicu proses  pembentukan ATP. Seperti telah diketahui, Kompleks I,III, dan IV bekerja sebagai  pompa proton. Karena membrane dalam mitokondria bersifat impermeabel terhadap ion secara umum dan terhadap proton, khususnya proton terakumulasi di ruang antar membrane yang menghasilkan daya gerak proton seperti diperkirakan dalam teori kemiosmotik. Serta ATP Sintase di membrane berfungsi sebagai penggerak pemutar untuk membentuk ATP.

D. Rantai respiratorik menghasilkan sebagian besar energi yang ditangkap selama katabolisme

ADP menangkap dalam bentuk fosfat berenergi tinggi, cukup banyak energy bebas yang dilepaskan melalui proses-proses katabolik . ATP yang terbentuk dinamai juga “alat tukar” energy sel karena senyawa ini menyalurkan energy bebas untuk menjalankan  proses-proses yang memerlukan energi.

Dalam reaksi glikolitik terjadi penyerapan

langsung netro dua gugus fosfat berenergi tinggi. Dalam siklus asam sitrat selama 3

 perubahann suksinil KoA menjadi suksinat dua fosfat tambahan, berenergi tinggi per mol glukosa diserap. Semua fosfolirasi ini berlangsung di tingkat substrat. Jika substrat dioksidasi melalui kopleks I, II, V dalam rantai respirasi (yi, melalui NADH), maka dibentuk 2,5 mol ATP per separuh mol oksigen yang dikonsumsi yi, rasio P:O = 2,5. Dipihak lain, jika suatu substrat (mis, suksinat atau 3-fosfogliserat) teroksidasi melalui kompleks II,III,IV, hanya 1.5 mol ATP yang terbentuk; yi, rasio P:O = 1,5. Reaksi-reaksi ini

dikenal

sebagai

fosfolirasi

di

tingkat

rantai

respiratorik .

Dengan

mempertimbangkan angka-angka ini, dapt diperkirakan bahwa hamper 90% fosfat  berenergi-tinggi yang dihasilkan darinoksidasi sempurna 1 mol glukosa diperoleh melalui fosfolirasi oksidatif yang digabungkan dengan rantai respiratorik.

Kontrol respiratorik menjamin pasokan ATP yang konstan Laju respiratorik mitokondria dapat dikendalikan oleh ketersediaan ADP. Hal ini terjadi karena oksidasi dan fosfolirasi berkopel erat; yi,, oksidasi tidak dapat berlangsung melalui rantai respiratorik tanpa dibarengi oleh fosfolirasi ADP. Berikut ini table yang memperlihatkan laju respirasi dalm mitokondria.

Kondisi yang mempengaruhi laju respirasi dalam mitokondria Ketersediaan ADP dan substrat Keadaan 1 Hanya ketersediaan substrat Keadaan 2 Kapasitas rantai respiratorik itu sendiri, jika semua substrat dan Keadaan 3

komponen berada dalam keadaan jenuh Hanya ketersediaan ADP

Keadaan 4 Hanya ketersediaan oksigen Keadaan 5 Sebagian besar dalam keadaan istirahat berada di keaadaan 4, dan respirasi dikontrol oleh ketersediaaan ADP. Jika sel melakukan kerja, ATP diubah menjadi ADP sehingga respirasi dapat meningkat dan selanjutnya memulihkan simpanan ATP. Dalam kondisi 4

tertentu, konsentrasi fosfat anorganik juga dapat mempengaruhi laju fungsi rantai respiratorik. Sewaktu respiratorik meningkat (seperti saat olah raga), sel mendekati keadaan 3 atau 5 sewaktu kapasitas respiratorik menjadi tersaturasi. Juga terdapat kemungkinan bahwa ADP/ATP, yang memfasilitasi dari mitokondria , menjadi factor  penentu ketepatan. Oleh karena itu, mekanisme proses oksidatif biologic yang memungkinkan energy  bebas hasil dari oksidasi bahan makanan tersedia dan dapat diserap langsung secara  bertahap, efisien, dan terkendali-bukan eksplosif, inefisien, dan tidak terkendali, seperti  pada kebanyakan proses nonbiologis. Energy bebas sisanya yang tidak diserap sebagai fosfat berenergi tinggi dibebaskan sebagai panas. Hal ini jangan dianggap sebagai “pemborosan” karena hal ini menjamin keseluruhan sistem respirasi cukup eksergonik untuk digeser dari ketidakseimbangan sehingga ATP dapat terus mengalir ke satu arah dan selalu tersedia. Hal ini juga ikut berperan mempertahankan suhu tubuh.

E. Banyak racun yang menghambat rantai respiratorik

Banyak informasi mengenai rantai respiratorik diperoleh melalui pemak aian inhibitor, dan sebaliknya, hal ini juga memberikan pengetahuan tentang mekanisme kerja beberapa racun. Inihibitor dapat diklasifikasikan sebagai inhibitor rantai respiratorik, inihibitor fosfolirasi oksidatif dan pemisah kopel fosfolirasi oksidatif. Barbiturat , misalnya amobarbital, menghambat peindahan electron electron melalui

kompleks I dengan menghambat pemindahan electron dari Fe-S ke Q. Pada dosis yang memadai, senyawa ini bersifat fatal in vivo. Antimisin A dan dimerkaprol menghambat rantai respiratorik di kompleks III. Racun klasik karbon monoksida   dan sianida menghambat komplkes IV dan karenanya dapat menghentikan respirasi secara total. Malonat adalah inhibitor kompetitif Kompleks II. Atraktilosid  menghambat fosfolirasi oksidatif dengan menghambat pemindaha ADP

ke dalam ATP dan ATP keluar mitokondria. Uncouplers (pemisah kopel) memisahkan oksidasi dalam rantai respiratorik dari

fosfolirasi. Senyawa ini bersift toksik in vivo, menyebabkan respirasi menjadi tidak 5

terkendali karena lajunya tidak lagi dipengaruhi oleh konsentrasi ADP atau Pi. Pemisah kopel yang paling sering digunakan adalah 2,4-dinitrofenol , tetapi senyawa lain jua  bekerja dengan cara serupa. Termogenin atau protein pemisah kopel   adalah pemisa kopel fisiologis yang ditemukan di jaringan adipose cokelat yang berfungsi menghasilkan  panas tubuh, terutama pada neonates dan hewan yang berhibernasi. Antibiotik oligomisin menghambat oksidasi dan fosfolirasi sepenuhnya dengan menghambat aliran proton dengan ATP sintase.

F. Teori Kemiosmotik dapat menjelaskan Kontrol Respirasi dan Kerja Pemisah Kopel

Perbedaan potensial elektrokimia di kedua sisi membrane, begitu terbentuk sebagai hasil teranslokasi proton akan menghambat trnspor lebih lanjut ekuivalen pereduksi melalui rantai repisratorik kecuali jika terjadi translokasi-balik melewati membrane, melalui ATP sintase. Hal ini selanjutnya bergantung pada k etersediaan ADP dan P.

G. Impermeabilitas Relatif Membran dalam Mitokondria memerlukan Transporter Penukar

Dimembran, terdapat sistem difusi pertukaran yang melibatkan protein-protein transporter ( yang menembus membrane) untuk pertukaran anion pada ion OH dan kation terhadap ion H. Sistem semacam ini diperlukan untuk menyerap dn mengeluarkan metabolit terionisasi sementara kesimbangan listrik dan osmotiik tetap dipertahankan. Membran dalam mitokoondria bersifat permeabel terhadap molekul kecil

tidak

bermuatan,

misalnya

oksigen,

air,

karbondioksida,

dan

asam

monokarbosilat, misalnya-3-hidroksibutirat, asetoasetat, dan asetat. Asam lemak rantai panjang diangkut ke dalam mitokondria melalui sitem karnitin, dan juga terdapat carrier khusus untuk piruvat yang melibatkan suatu simpor (symport) yang memanfaatkan gradient H+ dari luar ke dalam mitokondria. Namun, anion dikarbosilat dan trikarbosilat serta asam amino memerlukan sistem transporter atau 6

carrier spesifik untuk memfasilitasi zat-zat ini menembus membrane dalam bentuk tidak terdisosiasi dan lebih larut lipid. Transport anion di- dan trikarbosilat berkaitan erat dengan transport fosfat anorganik, yang mudah menembus dalam bentuk ion untuk H2PO4 untuk dipertukarkan dengan OH. Ambilan netro malat oleh transporter dikarbosilat memerlukan fosfat anorganik untuk dipertukarkan dalam arah berlawanan. Ambilan netro sitrat, isositrat, atau cis-akonitat oleh transport trikarbosilat memerlukan malat dalam pertukarannya. Transport α-ketoglutalat juga memerlukan pertukaran dengan malat. Transporter adenine dinukleotida memungkinan pertukaran ATP dan ADP, tetapi tidak AMP. Transporter ini sangat penting agar ATP dapat keluar dari mitokondria ke tempat-tempat pemakaiaanya diluar mitokondria dan ADP kembali ke dalam mitokondria untuk menghasilkan ATP. Karena dalam pemindahan ini, empat muatan negative dikeluarkan dari matriks untuk setiap tiga muatan yang masuk, gradient elektrokimia yang melintasi membran (daya gerak proton) memicu ekspor ATP. Na+ dapat dipertukarkan dengan H+ akibat gradient proton.

Ionofor Memungkinan Kation Spesifik Menembus Membran Ionofor (ionphores) adalah molekul lipofilik yang mengikat kation spesifik dan memfasilitasi transport kation tersebut menembus membrane biologis, mis valinomisin   (K+). Pemisah kapel klasik, misalnya dinitrofenol, pada kenyataanya

adalah suatu ionofor proton.

Transhidrogenase

Pemindah-Proton

Adalah

Sumber

NADPH

Intramitokondria Transhidrogenase terkait-energi, suatu protein di membrane dalam mitokondria, mengkopel aliran proton menurut gradient elektrokimia dari luar ke dalam mitokondria dengan pemindahan H+ dari NADH intramitokondria ke NADPH untuk enzim-enzim intramitokondria, misalnya glutamate dehydrogenase dan berbagai hidroksilase yang berperan dalam sintesis steroid.

7

Oksidasi NADH Ekstramitokondria Diperantarai oleh Pengangkut substrat  NADH tidak dapat menembus membrane mitokondria, tetapi dihasilkan secara terus-menerus di sitosol oleh 3-fosfogliseraldehid dehidrohenase suatu enzim dalam  proses glikolisis. Namun, dalam kondisi aerob, NADH ekstramitokondria tidak terakumulasi dan diperkirakan teroksidasi oleh ranta respiratorik di mitokondria. Pemindahan ekuivalen pereduksi melalui membran mitokondria memerlukan  pasangan substrat yang dihubungkn oleh dihidrogenase yang sesuai di kedua sisi membran mitokondria. Mekanisme pemindahan yang menggunakan pengangkut gliserofosfat   diperlihatkan di gambar. Karena enzim mitokondria dihubungkan

dengan rantai respiratorik melalui flavoprotein dan bukan NAD, maka hanya 1,5 mol (bukan 2,5 mol) ATP yang dibentuk per atom oksigen yang dikonsumsi. Meskipun  pengangkut ini terdapat di bebrapa jaringan (misalnya, serabut otot putih), namun sangat jarang terdapat jaringan ain (misalnya otot jantung). Oleh karena itu, diyakini  bahwa sistem pengangkut malat kegunaanya sangat luas, kompleksitas sistem ini disebabkan oleh impermeabilitas membrane mitokondria terhadap oksaloasetat, yang harus bereaksi dengan astamat untuk membentuk aspartate dan α-ketoglutarat melalui transaminase sebelum diangkut melewati membran mitokondria dan dibentuk kembali menjadi oksaloasetat di sitosol.

Sistem Pengangkut Kreatin Fosfat Memfasilitasi Transfor Fosfat BernergiTinggi dari Mitokondria Sistem pengangkut ini mendukung fungsi keratin fosfat sebagai penyangga energi dengan bekerja sebagai suatu sistem dinamik untuk memindahkan fosfat berenergitinggi dari mitokondria di jaringan aktif, seperti jantung dan otot rangka. Suatu isoenzim keratin kinase ditemukan di ruang antarmembran mitokondria, mengatalisis  pemindahan fosfat berenergi tinggi ke keratin dari ATP yang berasal dari transporter adenine nukleotida. Selanjutnya, keratin fosfat diangkut ke dalam sitosol melalui pori  protein di membrn luar mitokondria sehingga tersedia untuk membentuk ATP di luar mitokondria.

8

H. Gambar  –   gambar yang berhubungan dengan proses Rantai Respiratorik dan Fosfolirasi Oksidatif

9

Keterangan : Gambar 1. Peran rantai respiratorik mitokondria dalam konversi energi makanan menjadi ATP. Gambar 2. Struktur Membran Mitokondria, yang mengandung banyak lipatan atau krista. Gambar 3. Mekanisme pembentukan ATP oleh ATP Sintase Gambar 4. Sistem transport di membran dalam mitokondria (1) Transporter fosfat (2) simpor  piruvat (3) transporter dikarbosilat (4) transporter trikarbosilat (5) transporter α-ketoglutarat (6) transporter adenin nukleotida Gambar 5. Pengangkut malat untuk memindahkan ekuivalen pereduksi dari sitoso ke dalam mitokondria. (1) transporter α-ketoglutarat (2) transporter glutamate/aspartat

10

BAB III PENUTUP

A. Kesimpulan

Hampir semua energi yang dibebaskan dari oksidasi karbohidrat, lemak, dan  protein tersedia di mitokondria sebagai ekuivalen pereduksi. Pereduksi ini disalurkan ke rantai respiratorik, tempat zat ini melewati suatu gradient redoks pada molekul pembawa menuju reaksi terakhirnya dengn oksigen untuk membentuk air. Molekul pembawa redoks dikelompokkn menjadi empat kompleks rantai respiratorik di membrane dalam mitokondria. Tiga dari empat kompleks tersebut mampu menggunakan enegi yang dibebaskan dalam gradient redoks untuk memompa proton ke luar membran, dan menciptakan suatu potensial elektrokimia antara matriks dan ruang membrane dalam. ATP sintase menembus membran, dan bertindak sebagai suatu motor pemutar yang menggunakan energi potensial dari gradient proton atau proton motive force untuk membentuk ATP dari ADP dan P. Dengan cara ini, oksidasi dikopel secara erat dengan fosfolirasi untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Karena membrane dalam mitokondria bersifat impermeable terhadap proton dan ion lain, berbagai transporter khusus menembus membran agar ion-ion seperti OH, ATP, ADP dan metaboli, dapat lewat tanpa menghilangkan gradient elektrokimia di kedua sisi membran. Racun yang sudah dikenal, misalnya sianida mampu menghentikan respirasi dengan menghambat rantai respiratorik.

B. Saran Penting bagi kita mempelajari tentang Rantai respiratorik dan Fosfolirasi oksidatif karena itu adalah proses kimiawi yang pasti terjadi di tubuh manusi. Dan penulis  berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat.

11

DAFTAR PUSTAKA

1. Murray, dkk, 2009, Biokima Harper edisi 27, Jakarta:EGC

2. Colby,1987, Biokimia Harper, Jakarta:EGC

3. http://id.wikipedia.org/wiki/Fosforilasi_oksidatif  Dikutip pada tanggal 6 Maret 2013 pkl. 13.30 WITA

iv