respirasi dalam fisika dan bio

BAB 1

1.1. Latar Belakang Masalah Sistem pernapasan yang lazim digunakan mencakup 2 proses; pernapasan luar (eksternal), yaitu penyerapan O2 dan pengeluaran CO2 dari tubuh secara keseluruhan ;serta pernapasan dalam (internal), yaitu penggunaan O 2 dan pembentukan CO2 oleh selsel serta pertukaran gas antara sel-sel tubuh dengan media cair sekitarnya. Sistem pernapasan terdiri dari organ pertukaran gas (paru-paru) dan sebuah pompa ventilasi paru. Pompa ventilasi ini terdiri atas dinding dada; otot-otot pernapasan, yang meningkatkan dan menurunkan ukuran rongga dada; pusat pernapasan di otak yang mengendalikan otot pernapasan; serta saraf yang menghubungkan pusat pernapasan dengan otot-otot pernapasan. Pada keadaan istirahat, frekuensi pernapasan manusia normal berkisar antara 12-15 kali per menit. Satu kali bernapas 500 ml udara, atau 6-8 L udara per menit dimasukkan dan dikeluarkan dari paru-paru. Udara ini akan bercampur dengan gas yang terdapat dalam alveoli, dan selanjutnya O2 masuk ke dalam darah di kapiler paru, sedangkan CO2 masuk ke dalam alveoli, melalui proses difusi sederhana. Dengan cara ini, 250 ml O2 per menit masuk ke dalam tubuh dan 200 ml CO2 akan dikeluarkan. Berbagai gas lain, seperti gas metana dari usus halus dapat dijumpai di udara ekspirasi dalam jumlah kecil. Alkohol dan aseton akan dikeluarkan melalui udara ekspirasi apabila kadarnya dalam tubuh cukup memadai. Pada kenyataannya, lebih dari 250 jenis senyawa yang mudah menguap telah diidentifikasi dalam udara pernapasan manusia. 1.2. Rumusan Masalah a. Apa pengertian dari sistem respirasi dalam tinjauan biologi dan fisika? b. Apa yang dimaksud dengan komponen udara? c. Apa yang dimaksud dengan mekanika paru-paru? d. Apa yang dimaksud dengan hukum yang berlaku dalam pernapasan? e. Apa yang dimaksud dengan hukum Dalton? f. Apa yang dimaksud dengan hukum Boyle? g. Apa yang dimaksud dengan hukum Laplace? 1

h. Apa yang dimaksud dengan pengaruh ketinggian tekanan barometik? i. Apa yang dimaksud dengan alat-alat ukur volume paru-paru? j. Apa yang dimaksud dengan rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif? 1.3. Tujuan a. Menjelaskan pengertian dari sistem respirasi dalam tinjauan biologi dan fisika. b. Menjelaskan yang dimaksud dengan komponen udara. c. Menjelaskan yang dimaksud dengan mekanika paru-paru. d. Menjelaskan yang dimaksud dengan hukum yang berlaku dalam pernapasan. e. Menjelaskan yang dimaksud dengan hukum Dalton. f. Menjelaskan yang dimaksud dengan hukum Boyle. g. Menjelaskan yang dimaksud dengan hukum Laplace. h. Menjelaskan yang dimaksud dengan pengaruh ketinggian tekanan barometik. i. Menjelaskan yang dimaksud dengan alat-alat ukur volume paru-paru. j. Menjelaskan yang dimaksud dengan rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif.

BAB 2 2

PEMBAHASAN

2.1. Gas Gas merupakan bagian dari zat alir yang akan di bahas di sini adalah udara, oleh karena udara sangat di perlukan dalam kehidupan makhluk. Berbeda dengan zat cair, gas akan mengembang untuk mengisi ruang yang tersedia baginya, dan volume yang ditempati oleh sejumlah molekul gas tertentu, pada suhu dan tekanan tertentu akan tetap sama, bagaimanapun komposisi campuran gas tersebut (Tekanan Parsial).

P=

dengan

P = Tekanan n = Jumlah Molekul R = Konstanta Gas T = Suhu Absolut V = Volume

2.2. Komponen Udara Udara terdiri dari gas N2, O2, H2O. udara yang dihirup pada waktu inspirasi kirakira 80% N2, 19% 02 dan 0,04% CO2 (kadar CO2 ini bisa diabaikan), sedangkan pada waktu ekspirasi/udara yang di keluarkan lewat pernapasan 80% N2, 16% O2 dan 4% CO2. Setiap hari udara yang dihirup sebanyak 10kg (22 lb), sedangkan absorbsi O2 lewat paruparu sebanyak 400 liter (0,5kg) dan sedikit CO 2. Telah kita ketahui pula 22,4 liter udara terkandung 6 x 1023 molekul udara yang masuk ke dalam paru-paru.

3

2.3. Mekanika Paru-Paru Paru-paru diliputi selaput yang disebut pleura viseralis yang tumbuh menjadi satu dengan jaringan paru-paru. Di luar pleura viseralis terdapat selaput pleura parietalis. Ruang antara pleura visceralis dan parietalis disebut ruang intrapleural. Ruang ini berisi lapisan cairan yang tipis. Apabila ruang dada berkembang (pada waktu tarik nafas) ikut berkembang pula pleura parietalis dan pleura viseralis pada penyakit paru-paru yang menyebabkan kekakuan paru-paru, pleura viseralis tidak ikut berkembang sehingga akan mengakibatkan penurunan yang tajam tekanan intrapleura. Hal ini dapat disamakan dengan suatu pengasap dimana lapisan itu terikat dengan pir yang kaku, sedangkan yang lain bergerak bebas.

Apabila piston ditarik, ruang antara pleura viseralis. Dan pleura parietalis akan bertambah besar, dengan demikian volume antara kedua pleura akan meningkat, sedangkan tekanan dalam ruang tersebut akan mengalami penurunan secaras drastis.) Kalau pernya lemah maka ketika piston ditarik, plat A akan tertarik juga, sehingga tampak penambahan volume (

) hanya sedikit saja yang terjadi penurunan tekanan

sangat kecil sekali (terlukis gambar b).

ini merupakan keikutsertaan paru-paru yang

disebut kompliansi.

Pada penyakit paru-paru misalnya fibrosis paru-paru (pembentukan jaringan pada paru-paru) maka kompliansi akan tampak mengecil.pada waktu pernafasan normal akan tampak seperti pada gambar di bawah ini, yaitu gambaran semacam elips. Jadi kompliansi merupakan suatu perubahan yang kecil dari tekanan. Nilai kompliansi ini tergantung umur dan penyakit paru-paru, pada usia lanjut kompliansi rendah. Penderita usia muda nilai kompliansi sangat berarti. Oleh karena itu nilai kompliansi itu dbagi dengan volume paru-paru yaitu K (kapasitas), R (residu) dan F (fungsional), yaitru volume paru-paru yang mengeluarkan nafas secara normal.di klinik nilai kompliansi dinyatakan dalam liter per cm H20. 4

Pada orang dewasa kompliansi mempunyai nilai antara 0,18-0,27 liter/cm H 2O. secara umum pada laki-laki umur di atas 60thn, 25% lebih tinggi bila dibandingkan dengan anak muda dan hanya sedikit sekali ada perubahan pada wanita serta berkaitan dengan umur. Pada penyakit paru-paru yang mempunyai kompliansi yang rendah dimana terlihat sedikit sekali perubahan volume untuk perubahan tekanan yang besar, misalnya fibrosis paru-paru. Penyakit paru-paru dengan kompliansi yang tinggi yaitu perubahan volume yang besar untuk terjadi suatu perubahan tekanan yang kecil. Misalnya: a. Respiratory distress syndrome (RDS). b. Emfisema pulmonum.

2.4 Hukum-Hukum yang Berlaku Dalam Pernafasan

a. Hukum Dalton, mengenai tekanan partial b. Hukum Boyle, PV = Konstan c. Hukum Laplace.

2.5 Hukum Dalton

Hukum ini menyatakan bahwa suatu campuran dari beberapa gas, tiap – tiap membentuk kontribusi tekanan total seakan – akan gas iotu berada sendiri. Misalnya dalam suatu rangsangan terdapat udara dengan tekanan 1 atsmosfir (760 mm Hg). Jika kita memindahkan seluruh molekul kecuali O2 maka O2 dalam udara tersebut 20% berarti O2 mempunyai tekanan 20 x 760 mm hg =150 mm Hg. Demikian pula N 2 = 610 mm Hg 5

(80% dari 760 mm Hg). Tetapi tekana partial uap air tergantung pada kelembaban. Suatu contoh udara ruangan mempunyai tekanan parsial 15 – 20 mm Hg. Sedangkan didalam paru – paru mempunyai tekanan 47 mm Hg pada temperatur 37 Cdengan 100% kelembaban. Dengan mempergunakan tekanan parsial dari hokum Dalton bisa dibuat daftar dibawah ini: Table % dan tekanan parsial O2 dan CO2 pada inspirasi, alveolus dan ekspirasi dimana tekanan parsial paru – paru pH2O = 47 mm Hg.

% O2

Ρ O2

%CO2

Ρ CO2 (mm Hg)

Udara inspirasi

20,9

150

0,04

0,3

Alveoli

14,0

100

5,6

40

16,3

116

4,5

32

paru-

paru Udara ekspirasi

Pada waktu ekspirasi terakhir di dalam paru – paru selalu terdapat 30% volume udara ini, disebut “Fungsional Residual Capasity”.

2.6

Hukum Boyle Membahas gas ideal, di mana gas bermassa m pada temperatur konstan dapat

disimpulkan bahwa hubungan P – V = konstan. Apabila terjadi peningkatan volume akan diikuti dengan penurunan tekanan, demikian sebaliknya. Untuk mengetahui hubungan P – V dapat kita lihat grafik dibawah ini. Tekanan intrapleura

(cm H2O)

6

5

0

-5 Gb. 66. Dikutip dari John R. Cameron and James G. Skrofonick “Medical Physics” John Wiley & Sons 1978, hlm. 133.

Pada saat inspirasi (menarik nafas) volume paru – paru meningkat, sedangkan tekanan intrapleura mengalami penurunan.

Flow rate (liter/menit)

10`

0

-10 Dikutip dari John R. Cameron and James G. Skrofonick “Medical Physics” John Wiley & Sons, 1978, hlm. 133.

Pada saat inspirasi, jumlah volume udara dalam paru – paru meningkat; pada waktu ekspirasi jumlah volume udara paru – paru akan menurun.

Volume paru – paru (liter)

3

2

t 7

Inspirasi

Ekspirasi Time

Dikutip dari John R. Cameron and James G. Skrofonick “Medical Physics” John Willey & Sons, 1978, hlm. 133.

Volume paru – paru bertambah pada waktu tarik nafas sedangkan pada waktu ekspirasi volume udara paru – paru akan menurun. Pada waktu inspirasi / menarik nafas akan terlihat flow rate meningkat sedangkan tekanan intrapleura menurun. Sedangkan pada waktu ekspirasi, terjadi peningkatan tekanan sedangkan flow rate menurun. Kalau grafik diatas digabungkan akan terlihat jelas hubungan P – V.

tidak ada udara yang mengalir

Tekanan intrapleura cm H2O (Tekanan intratorax)

Ekspirasi

3 Ekspirasiinsp Inspirasi

Tidak ada udara yang mengalir

2 0

-5

- 10

- 15

Dikutip dari John R. Cameron and James G. Skofronick “Medical Phy sics” John & Sons, 1978, hlm. 134.

2.7 Hukum laplace Laplace mengatakan bahwa tekanan pada gelembung alveoli berbanding terbalik terhadap radius dan berbanding lurus terhadap teganggan permukaan

. secara eksakta

hubungan ini ditulis

8

P= P= tekanan = teganggan permukaan(dyne/ cm) R= jari-jari 2.8. Pengaruh Ketinggian Terhadap Tekanan Barometer Banyak prinsip fisika yang dipakai dalam pernafasan terutama bagi penerbangan dan penyelamatan. Pada atmosfer tinggi, dengan temperature 20o sampai 50oC atau dibawah 0o C dan pada kedalaman di bawah permukaan laut , tekanan yang terjadi di luar tubuh kadang-kadang dapat meyebabkan penderita dalam keadaan kollaps. Untuk menghindari bahaya-bahaya yang timbul perlu diketahui tekanan barometrik terhadap tekanan O2 dan saturasi tekanan oksigen dalam arteri. 2.8.1 Efek Tekanan Barometrik Terhadap Oksigen Pada suatu ketinggian diatas permukaan air laut maka tekanan barometric akan menurun. Penurunan tekanan barometric diikuti dengan tekanan O 2 dalam udara. Untuk jelasnya lihat table yang disajikan dibawah ini. Ketinggian (feet)

Tekanan

PO2

dalam

Barometrik

Udara

Udara Pernafasan PO2

dalam Satuan

Alveoli

(mm Hg)

(mm Hg) 0

Oksigen dalam Darah Arteri

760

150

104

97

523

110

67

90

(Pada permukaan air laut) 10.000 20.000

9

30.000

349

73

40

70

40.000

226

47

21

20

50.000

141

29

8

5

87

18

1

1

2.8.2 Efek Tekanan Barometrik Terhadap Udara Sama halnya tekanan Barometrik terhadap oksigen yaitu dengan menurunnya tekanan Barometrik akan nampak penurunan tekanan Partial N2 , CO2 tabel ini Ketinggian (feet)

Tekanan barometik (mm Hg)

Tekanan pada gas pada alveoli (mm hg)

Permukaan laut

760

P

N2 = 569

P

O2 = 104

P

CO2= 40

P

H2O= 47

20.000

349

P

N2 = 238

P

O2= 40

P

CO2= 24

P

H2O = 47

50.000

87

P

N2= 15

P

O2= 1

P

CO2= 24

P

H2O=47

10

2.8.3 Efek Tekanan Barometrik Terhadap Kesehatan Efek yang ditimbulkan oleh perubahan barometrik akan lebih luas dalam mata kuliah faal. Disini hanya disinggung sepintas. Pada suatu ketinggian, tekanan barometrik akan rendah dan diikuti penurunan tekanan partikel O2. Pada ketinggian 23.000 feet hanya sebagian hemoglobin saturasi atau jenuh dengan oksigen, menyebabkan transport oksigen kejaringan mencapai 50% dengan akibat jaringan mengalami anoksia atau kekurangan oksigen. Pada ketinggian 20.000 feet, penderita belum masuk koma (tidak sadarkan diri) tetapi pada 10 menit sesudahnya penderita akan mengalami kollaps seperti lemah mental hariness. Pada 20.000 sampai 24.000 feet penderita akan masuk kedalam keadaan kritis. Pada ketinggian diatas 50.000 feet dalam tempo satu menit seseorang normal akan jadi koma. 2.9 Alat Ukur Volume Paru-Paru Alat pengukur paru-paru antara lain: 1. Spirometer 2. Peak flow rate 2.9.1 Spirometer Alat ini dipakai untuk mengukur aliran udara yang masuk dan ke luar paru-paru dan dicatat dalam grafik volume perwaktu. Spirometer ini terlihat pada gambar:

11

Si penderita disuruh bernafas (menarik nafas dan menghembuskan nafas) di mana hidung penderita ditutup. Botol A akan bergerak naik turun, sementara itu botol pencatat bergerak putar (sesuai dengan jarum jam) sehingga pen pencatat akan mencatat sesuai dengan gerak botol A.

12

Hasil pencatatan terlihat seperti gambar dibawah ini.

Pada waktu istirahat menunjukkan volume udara paru-paru 500 ml. Keadaan ini disebut tidal volume. Pada permulaan dan akhir pernapasan terdapat keadaan reserve; akhir dari suatu inspirasi dengan suatu usaha agar mengisi paru-paru dengan udara, udara tambahan ini disebut inspiratory reserve volume jumlahnya sebanyak 3000 ml. Demikian pula akhir dari suatu ekspirasi, usaha dengan tenaga untuk mengeluarkan udara dari paruparu, udara ini disebut ekpiratory reserve volume yang jumlahnya kira-kira 1100 ml. Udara yang tertinggal setelah ekspirasi secara normal disebut Fungtional Residual Capacity (FRC). Seorang yang bernapas dalam keadaan baik inspirasi maupun ekspirasi, kedua keadaan yang ekstrim ini disebut keadaan Vital Capacity. Dalam keadaan normal Vital Capacity sebanyak 4500 ml. Dalam keadaan apapun paru-paru tetap mengandung udara, udara ini disebut residual volume kira-kira 1000 ml untuk orang dewasa. Untuk membuktikan adanya residual volume, penderita (subjek) disuruh bernafas dengan mencampuri udara dengan helium, kemudian dilakukan pengukuran frajsi helium pada waktu ekspirasi. Di klinik biasanya menggunakan Spirometer. Penderita disuruh bernafas udara dalam 1 menit yang disebut respiratory minute volume. Maksimum volume udara yang dapat dihirup selama 15 menit disebut Maximum Voluntary Ventilation. Maksimum ekspirasi setelah maksimum inspirasi sangat berguna 13

untuk test penderita emphysema dan penyakit obstruksi jalan pernafasan. Penderita normal dapat mengeluarkan udara kira-kira 70% dari vital capacity dalam 0,5 detik; 85% dalam satu detik; 94% dalam 2 detik; 97% dalam 3 detik. Normal peak flow rate 350-500 liter/menit. 2.9.2 Mini Peak Flow Meter Penderita disuruh meniup sekuat-kuatnya. Udara akan mendorong piston A dan kemudian dapat membaca skala yang ditunjukkan oleh piston tersebut. Alat flow meter ini dipergunakan untuk mengetahui udara ekspirasi maksimum (liter/menit). Hasil studi Ian Gregg A.J Nunn (Brithish Medical Journal 1973, 3282) menunjukkan flow rate sangat tergantung akan usia dan jenis kelamin. Usia berkisar 25- 45 tahun menunjukkan flow rate yang tinggi sedangkan kurang dari 25 tahun dan lebih dari 50 tahun menunjukkan flow rate yang rendah. Demikian pula antara laki-laki dan wanita sangat berbeda. Wanita berkisar 380 – 480 liter/menit sedangkan laki-laki 520-650 liter/menit. 2.10 Rantai Pernapasan dan Fosforilasi Oksidatif NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya perbedaan potensial oksidasi reduksi (E0’) atau potensial transfer elektron memungkinkan elektron mengalir dari unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih rendah) ke unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran dalam mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradien pH dan potensial listrik transmembran yang kemudian mendorong proton mengalir kembali kedalam matriks melalui suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien proton pada membran dalam mitokondria. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer elektron dari NADH atau FADH2 kepada oksigen melalui serangkaian pengemban elektron. Proses ini adalah sumber utama pembentukan ATP pada organisme aerob. 14

Pembentukan ATP dalam glikolisis sempurna glukosa menjadi CO2 dan H2O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari proses fosforilasi oksidatif. Komplek-komplek enzim yang terangkai pada membran dalam mitokondria untuk pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH2 ke oksigen molekuler dimana terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan. Komplek enzim tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga komplek yang lain, tidak memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks mitokondria. Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah awal adalah pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida (FMN), gugus prostetik komplek ini, menjadi bentuk tereduksi, FMNH 2. Elektron kemudian ditransfer dari FMNH2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis kedua gugus prostetik dalam NADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q, dikenal juga sebagai ubiquinon. Ubiquinon mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi kedua terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH2) yang terikat enzym. Pasangan elektron pada QH2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S) kedua yang ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil dalam inti hidrofobik membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini menyebabkan terpompanya empat H+ dari matriks ke sisi sitosol membran dalam mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui. Ubiquinol ( QH2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH2 enzymenzym flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian dari komplek suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein integral membran dalam mitokondria. FADH2 tidak meninggalkan komplek, elektronnya ditransfer kerumpun belerang-besi dan kemudian ke Q untuk masuk dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain seperti gliserol fosfat dehidrogenase dan asil15

ko-A dehidrogenase yang membentuk gugus prostetik tereduksi FADH 2, elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein). Selanjutnya ETF memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk masuk rantai pernapasan dalam bentuk QH 2. Berbeda dengan komplek I, komplek II dan enzym lain yang mentransfer elektron dari FADH2 ke Q tidak memompa proton karena perubahan energi bebas dari reaksi yang dikatalisanya terlalu kecil. Itulah sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH 2 lebih sedikit dari pada melalui NADH. Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase atau ubiquinol-sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc1 atau disebut juga komplek III. Sitokrom merupakan protein pemindah elektron yang mengandung heme sebagai gugus prostetik. Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer elektron dari QH2 kesitokrom c dan secara bersamaan memompa proton sebanyak dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua sitokrom yaitu b dan c 1 dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai polipeptida lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c1 yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya. Sitokrom oksidase, komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai pernapasan, mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase mengandung dua gugus heme yang berbeda dari heme pada sitokrom c dan c1 karena gugus rantai samping hemenya dan ikatannya pada enzym secara non kovalen. Heme komplek ini dikenali sebagai heme a dan heme a3, karenanya komplek ini juga disebut sitokrom aa3. Selain heme komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal dengan CuA dan CuB. Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA dan satu lagi kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan ekseptor elektron terminal yang ideal. Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak termodinamik yang besar untuk fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton empat H+ kesisi sitosol dari membran. Dalam inti hidrofobik membran dalam mitokondria. Aliran dua elektron ini menyebabkan terpompanya empat H+ dari matriks kesisi sitosol membran dalam mitokondria, dengan mekanisme yang belum diketahui. 16

Ubiquinol ( QH2 ) juga merupakan tempat masuk elektron dari FADH2 enzymenzym flavoprotein kerantai pernapasan. Suksinat dehidrogenase merupakan bagian dari komplek suksinat-Q reduktase atau disebut juga komplek II, suatu protein integral membran dalam mitokondria. FADH2 tidak meninggalkan komplek, elektronnya ditransfer kerumpun belerang-besi dan kemudian ke Q untuk masuk dalam rantai pernapasan. Enzym-enzym flavoprotein lain seperti gliserol fosfat dehidrogenase dan asilko-A dehidrogenase yang membentuk gugus prostetik tereduksi FADH 2, elektronnya dipindahkan ke flavoprotein kedua yang disebut flavoprotein pemindah elektron atau ETF (electron transferring flavoprotein). Selanjutnya ETF memberikan elektronnya kerumpun belerang besi dan Q untuk masuk rantai pernapasan dalam bentuk QH2. Berbeda dengan komplek I, komplek II dan enzym lain yang mentransfer elektron dari FADH 2 ke Q tidak memompa proton karena perubahan energi bebas dari reaksi yang dikatalisanya terlalu kecil. Itulah sebabnya, ATP yang terbentuk pada oksidasi FADH2 lebih sedikit dari pada melalui NADH. Pompa proton kedua dalam rantai pernapasan adalah sitokrom reduktase atau ubiquinol-sitokrom c reduktase atau komplek sitokrom bc1 atau disebut juga komplek III. Sitokrom merupakan protein pemindah elektron yang mengandung heme sebagai gugus prostetik. Komplek III ini berfungsi mengkatalisir transfer elektron dari QH 2 kesitokrom c dan secara bersamaan memompa proton sebanyak dua H+ melewati membran dalam mitokondria. Ada dua sitokrom yaitu b dan c 1 dalam komplek ini, juga mengandung protein Fe-S dan beberapa rantai polipeptida lain. Heme pada sitokrom b berbeda dari heme yang ada pada sitokrom c dan c1 yang terikat secara kovalen berupa ikatan tioester pada proteinnya. Sitokrom oksidase, komponen terakhir dari tiga pompa proton dalam rantai pernapasan, mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c kemolekul oksigen sebagai akseptor terakhir. Sitokrom oksidase mengandung dua gugus heme yang berbeda dari heme pada sitokrom c dan c1 karena gugus rantai samping hemenya dan ikatannya pada enzym secara non kovalen. Heme komplek ini dikenali sebagai heme a dan heme a 3, karenanya komplek ini juga disebut sitokrom aa3. Selain heme komplek ini juga mengandung dua ion tembaga, dikenal dengan CuA dan CuB. Ferositokrom c memberikan satu elektronnya kerumpun heme a- CuA dan satu lagi kerumpun heme a3- CuB dimana oksigen direduksi melalui serangkaian langkah menjadi dua molekul H2O. Molekul oksigen merupakan 17

ekseptor elektron terminal yang ideal. Afinitasnya yang tinggi terhadap elektron memberi daya gerak termodinamik yang besar untuk fosforilasi oksidatif. Terjadi pemompaan proton empat H+ kesisi sitosol dari membran. Sejumlah ATP yang dibentuk pada peristiwa fosforilasi oksidatif dirantai pernapasan tidak begitu pasti karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP dan proses transport metabolite tidak harus dalam jumlah bulat atau bernilai tetap. Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari matriks kesisi sitosol membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron, masing-masing adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui ATP sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu H+ tambahan. Dengan demikian terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran sepasang elektron dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap komplek III, misalnya yang berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira 1,5 ATP per pasangan elektron. Kecepatan fosforilasi oksidatif ditentukan oleh kebutuhan ATP. Transport elektron terangkai erat dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai pernapasan ke oksigen bila ada ADP yang secara simultan mengalami fosforilasi menjadi ATP. Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber electron lain dengan potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting dalam terpenting dalam menentukan kecepatan fosforilasi kadar ADP. Kecepatan konsumsi oksigen oleh mitokondria meningkat tajam bila ditambahkan ADP dan kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan sudah difosforilasi menjadi ATP. Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi. Kepentingan fisiologis mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai dan dengan demikian fosforilasi oksidatif terangkai dengan penggunaan ATP. Elektron tidak mengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak diperlukan. Transfer elektron dalam rantai pernapasan dapat dihambat oleh banyak inhibitor spesifik. Inhibitor-inhibitor ini dibagi menjadi tiga golongan yaitu inhibitor rantai pernapasan, inhibitor fosforilasi oksidatif dan pemutus rangkaian (uncoupler) fosforilasi oksidatif. Amobarbital (barbiturat), pierisidin A (antibiotik), insektisida dan rotenon (racun ikan) menghambat transfer elektron dalam NADH-Q reduktase dengan menyekat pemindahan elektron dari Fe-S ke Q. Karboksin dan TTFA menghambat aliran elektron 18

dalam suksinat-Q reduktase, sedangkan malonat merupakan inhibitor kompetitif dari enzym suksinat dehidrogenase. Dimerkaprol dan antimisin A menghambat elektron dari sitokrom b dalam sitokrom reduktase. Racun klasik seperti H 2S, karbon monoksida (CO), sianida (CN -) dan azida (N3-) menghambat sitokrom oksidase dan dapat menghentikan respirasi secara total. Oligomisin (antibiotik) menghambat fosforilasi dan dengan begitu juga menghambat oksidasi sedangkan atraktilosida dan asam bongkrek menghambat pengangkutan ADP kemitokondria dan ATP keluar mitokondria, sehingga menganggu fosforilasi oksidatif. Senyawa-senyawa pemutus rangkaian memisahkan proses oksidasi dalam rantai pernapasan dengan proses fosforilasi. Pemisahan ini menyebabkan respirasi menjadi tak terkendali, karena konsentrasi ADP dan ortofosfat tidak lagi membatasi laju respirasi . senyawa-senyawa ini antara lain adalah dinitrofenol, dinitrokresol, pentaklorofenol dan yang memiliki daya paling kuat sampai seratus kali lebih besar dari yang lain adalah CCCP (Cloro Carbonil Cianida Phenilhidrazon).

BAB 3 PENUTUP 3.1. Simpulan Gas merupakan bagian dari zat alir yang akan di bahas di sini adalah udara, oleh karena udara sangat di perlukan dalam kehidupan makhluk. Berbeda dengan zat cair, gas akan mengembang untuk mengisi ruang yang tersedia baginya, dan volume yang ditempati oleh sejumlah molekul gas tertentu, pada suhu dan tekanan tertentu akan tetap sama, bagaimanapun komposisi campuran gas tersebut (Tekanan Parsial). Udara terdiri dari gas N2, O2, H2O. udara yang dihirup pada waktu inspirasi kira-kira 80% N2, 19% 02 dan 0,04% CO2 (kadar CO2 ini bs diabaikan), sedangkan pada waktu ekspirasi/udara yang di keluarkan lewat pernapasan 80% N2, 16% O2 dan 4% CO2. Setiap hari udara yang di hirup sebanyak 10kg (22 lb), sedangkan absorbsi O2 lewat paru-paru sebanyak 400 liter (0,5kg) dan sedikit CO2. Telah kita ketahui pula 22,4 liter udara terkandung 6 x 1023 molekul udara yang masuk ke dalam paru-paru. 19

Hukum-Hukum yang Berlaku Dalam Pernafasan 1. Hukum Dalton, mengenai tekanan partial 2. Hukum Boyle, PV = Konstan 3. Hukum Laplace.

20