Mitokondria Rev

���������� 209

BAB XI

MITOKONDRIA Adnan (UNM, 2011)

A. PENDAHULUAN

Energi yang langsung dikonsumsi oleh sel adalah energi dalam bentuk adenosin trifosfat atau ATP. Substansi yang kaya energi tersebut diubah menjadi adenosin difosfat atau ADP dan selanjutnya diubah menjadi adenosin monofosfat atau AMP. Peristiwa tersebut dikenal dengan nama hidrolisis ATP. Rumus kimia ATP ditunjukkan pada Gambar-11.1.

Gambar-11.1 Rumus kimia ATP

Sel memiliki tiga jalur utama untuk menghasilkan energi

utama dalam bentuk ATP, yaitu: 1. ATP dihasilkan di dalam sitosol selama glikolisis; 2. ATP dihasilkan di dalam kloroplas dengan me-manfaatkan

energi matahari;

����������210

3. ATP dihasilkan di dalam mitokondria melalui reaksi oksidasi substrat.

B. TEORI ENDOSIMBIOSIS

Para pakar biologi sel sependapat bahwa mitokon-dria berasal dari bakteri aerobik yang mengadakan endosimbiosis dengan eukariot anaerobik. Endosimbiosis adalah jika organisme dari suatu species hidup didalam organisme dari species yang lain. Proses yang terjadi adalah sel-sel bakteri aerobik tertelan oleh sel eukariot anaerobik namun bakteri aerobik tidak mengalami pencernaan. Bakteri aerobik yang tertelan selanjutnya hidup di dalam sel eukariot.

Eukariot mensuplai bakteri dengan proteksi dan komponen-komponen karbon, sedangkan bakteri mensuplai eukariot dengan energi ATP. Beberapa bukti yang mendukung teori tersebut adalah:(i) Mitokondria dapat menggandakan diri menye-rupai pembelahan biner pada bakteri, (ii) DNA mitokondria menyerupai DNA prokariot, berupa molekul sirkular tunggal dan ribosom pada mitokondria dibuat dari sub unit dengan koofisien sedimentasi yang lebih menyerupai ribosom prokariot dibandingkan dengan eukariot, (iii) Ukuran mitokondria hampir sama dengan ukura bakteri. (iv) Mitokondria memiliki membran ganda, memiliki kemi-ripan dengam membran sejumlah prokariota, dan (v) urutan DNA pada mitokondria tertutup dan memiliki kemiripan dengan DNA proteobakteril (vi) Mitokondria memiliki kemiripan fisik dengan prokariota.

Mitokondria pertama kali diamati dan diisolasi dari sel pada tahun 1850 oleh Kollicker melalui pengamatannya pada jaringan otot lurik serangga. Ia menemukan adanya granula-granula dengan struktur yang bebas dan tidak berhubungan secara langsung dengan struktur internal sel. Pada tahun 1890, Altmann mengidentifikasi granula-granula tersebut dan Ia berikan nama bioblast. Istilah tersebut diganti dengan mitokondria (Yunani: mito yang berarti benang dan chondrion yang berarti granula) sebab penampakan granula-granula

���������� 211

tersebut menyerupai benang bila diamati dengan menggunakan mikroskop cahaya.

Sumber : http://www.biology.hawaii.edu/301/Lecture%20Powerpoints/Lecture

%207 %20Evolution%20and%20analyses%20of%20life% 20histories.ppt

Gambar-11.2 Pompa hidrogen pada lisosom (Allar, 2005)

Pada tahun 1900, Michaelis menunjukkan bahwa di dalam

mitokondria berlangsung reaksi-reaksi oksidatif. Pada tahun 1911, Warburg menemukan bahwa mitokon-dria mengandung enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi oksidatif sel. Pada tahun 1911, Kingsbury mendu-kung bahwa mitokondria merupakan tempat spesifik untuk reaksi-reaksi oksidasi. Pada tahun 1930, Sir Hans Krebs menjelaskan beberapa reaksi siklus asam trikarboksilat atau daur Krebs. Dari tahun 1950,

����������212

Lehninger, Green, Kennedy, dan Hogeboom dan lain-lain menunjukkan secara jelas reaksi-reaksi seperti oksidasi asam lemak, fosforilasi oksidatif serta sifat-sifat lain mitokondia (Sheeler dan Bianchii, 1983).

C. STRUKTUR MITOKONDRIA Mitokondria dijumpai baik pada sel hewan maupun pada sel

tumbuhan. Ukuran mitokondria kira-kira sama dengan ukuran rata-rata bakteri basil. Mitokondria hati secara umum agak memanjang dengan diameter kira-kira 0,5-1,0 µm dan panjang kira-kira 3 µm. Umumnya panjang mitokondria dapat mencapai 7 µm (Sheeler & Bianchi, 1983; Thorpe, 1984).

Gambar-11.3 Mitokondria

Di dalam sel mitokondria terletak secara acak seperti pada hati atau tersusun teratur dengan pola-pola tertentu seperti pada sel sperma. Contoh yang paling umum adalah susunan yang teratur dari mitokondria diantara serabut-serabut di dalam otot lurik. Mitokondria umumnya ditemukan pada tempat-tempat di dalam sel yang membutuhkan energi dalam jumlah yang besar, misalnya pada otot lurik dan flagel sperma. Untuk melaksanakan fungsinya, sangat tergantung pada persediaan ATP yang dihasilkan oleh mitokondria.

���������� 213

Gambar-11.4 Susunan mitokondria pada sel otot lurik

(Thorpe, 1984)

Gambar-11.5 Susunan mitokondria pada ekor sel sperma

(Thorpe, 1984)

Jumlah mitokondria per sel sangat bervariasi diantara berbagai tipe sel, mulai dari nol sampai ratusan ribu. Algae tak berwarna, Leucothrix dan Vitreoscilla, tidak memiliki mitokondria. Spermatozoa tertentu dan flagella seperti Chromulina hanya mengandung satu mitokondria per sel. Hati memiliki mitokondria rata-rata 800 per sel dan beberapa telur landak laut dan amoeba raksasa Chaos chaos mengandung 500.000 mitokondria per sel. Dalam beberapa hal, tampaknya terdapat hubungan antara jumlah mitokondria per sel dan keperluan metabolisme sel.

����������214

Gambar-11.6 Struktur Mitokondria (Thorpe, 1984)

Mitokondria dibatasi oleh membran ganda, yaitu membran dalam dan membran luar. Setiap membran memiliki ciri khas sebagai unit membran. Membran dalam tidak berhubungan dengan membran luar. Membran dalam membagi organel menjadi dua bagian yaitu matriks dan ruang antar membran.

Matriks berisi cairan menyerupai gel, sedangkan ruang antar membran berisi cairan yang encer. Membran dalam memiliki permukaan yang lebih luas dibandingkan dengan membran luar, karena membran dalam terlipat-lipat dan masuk ke dalam matriks membentuk tonjolan-tonjolan yang dinamakan krista. Dengan demikian, secara struktural terdapat perbedaan antara membran dalam dengan membran luar. Selain itu, membran dalam berbeda dengan membran luar dari segi permiabilitasnya. Membran luar permiabel terhadap berbagai substansi yang mempunyai berat molekul berkisar 5.000 dalton. Sebaliknya permiabilitas membran dalam terbatas, khususnya terhadap substansi-substansi dengan berat molekul berkisar 100-150 dalton (Sheeler & Bianchi, 1983).

Struktur morfologi mitokondria yang paling bervariasi adalah krista. Dalam satu tipe sel, mereka pada umumnya uniform dan khas pada sel. Akan tetapi, susunan dari bentuk-bentuk yang berbeda terdapat dalam tipe-tipe sel yang berbeda.

Umumnya mitokondria memiliki krista yang berbentuk lamella atau tubuler. Pada bentuk lamella, krista relatif sejajar

���������� 215

dan teratur, sedang pada krista yang berbentuk tubular memperlihatkan tubulus-tubulus yang terorientasi pada matriks. Pada beberapa mitokondria, susunan tubulusnya teratur, misalnya pada Amoeba Chaos chaos.

Menurut Sheeler & Bianchi (1983), struktur mitokondria dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu (i) krista susunannya menyerupai lembaran misalnya krista pada mitokondria sel hati, (ii) krista dengan susunan yang sangat rapat menyerupai tumpukan uang logam misalnya pada mitokondria sel ginjal, dan (iii) krista dengan susunan seperti jala yang dibentuk oleh saluran-saluran yang saling beranastomosis.

Gambar-11.7 Struktur krista mitokondria (Sheler dan

Bianchii,1983)

D. KOMPOSISI KIMIA MITOKONDRIA

Pada mitokondria utuh, air merupakan komponen utama yang dominan dan ditemukan di seluruh mitokondria kecuali dalam lapisan bilayer lipida. Air selain berperan dalam reaksi-reaksi kimia, juga berperan sebagai medium fisik dimana metabolit dapat berdifusi diantara sistim-sistim enzim.

Komponen utama mitokondria adalah protein. Persentase protein yang sebenarnya berkaitan dengan jumlah membran dalam yang ada. Membran dalam terdiri atas protein, baik protein enzimatik maupun protein struktural. Pada beberapa mitokondria, membran dalam mengandung kira-kira 60% dari

����������216

total protein organel. Berdasarkan distribusi enzim di dalam mitokondria hati tikus, telah terbukti bahwa membran dalam mengandung 21% dari total protein mitokondria dan membran luar 40%. Menurut perhitungan ini, kurang lebih 67% protein terdapat pada matriks dan biasanya ditemukan dalam ruang intraseluler.

Protein mitokondria dapat dikelompokkan menjadi dua bentuk, yaitu bentuk terlarut dan bentuk tidak terlarut. Protein terlarut terutama terdiri atas enzim-enzim matriks dan protein perifer membran atau protein intrinsik membran tertentu. Protein tidak terlarut biasanya menjadi bagian integral membran. Beberapa dari protein ini merupakan protein struktural serta beberapa protein enzim.

Komposisi lipida mitokondria tergantung dari sumber mitokondrianya. Namun demikian, fosfolipida merupakan bentuk yang dominan. Umumnya fosfolipida terdiri dari ¾ dari total lipida (Tabel-11.1).

Tabel-11.1 Kandungan lipida mitokondria yang diisolasi dari berbagai

organ hewan (dalam mg/g) (Thorpe, 1984)

Organ Total Lipida

Lipida Netral

Kolesterol

Fosfolipida

Jantung manusia

400 - - 335

Jantung sapi 320 18 4 283 Ginjal sapi 240 17 11 190 Hati sapi 180 16 4 145 Hati marmut - - - 159

Fosfatidilamin dan fosfatidiletanolamin umumnya merupa-kan fosfatidil dalam jumlah yang besar pada mitokondria. Namun demikian, ditemukan kadar kardio-lipin dan kolesterol dengan konsentrasi yang rendah (Tabel-11.2)

���������� 217

Tabel-11.2 Komposisi fosfolipida mitokondria yang diisolasi dari berbagai

sumber (% total fosfolipida) (Thorpe, 1984)

Sumber Fosfatidil kolin

Fosfatidil

etanolamin

Kardiolipin

Fosfatidil inositol

Jantung manusia

43 34 18 5

Jantung babi 36 25 13 23 Jantung sapi 41 37 19 3 Ginjal sapi 40 38 19 4 Hati sapi 43 35 13 5

Distribusi fosfolipida dalam membran luar dan membran

dalam mitokondria ditunjukkan pada Tabel-11.3.

Tabel 11.3 Komposisi fosfolipida membran dalam dan membran luar

mitokondria hati (% fosfolipida dalam setiap fraksi) (Thorpe, 1984)

Sumber Marmut Tikus

M. dalam M. luar M. dalam M. luar Fosfatidil kolin

44,50 55,20 41,00 39,00

Fosfatidil etanolamin

25,30 27,70 35,00 31,00

Kardiolipin 21,50 3,20 21,00 3,00 Fosfatidil inositol

4,20 13,50 - -

Fosfatidil serin

- - 2,00 17,00

Perbedaan distribusi lipida memiliki arti penting, baik dari segi struktural maupun fungsional. Namun secara detail belum jelas.

����������218

Sejumlah molekul organik sederhana yang berbeda berasosiasi dengan membran mitokondria. Beberapa dari molekul ini adalah molekul redoks yang ikut serta dalam transpor elektron. Ubiquinon (koenzim Q), flavin (FMN dan FAD), dan nukleotida piridin (NAD+) secara normal terikat membran, dan kadang-kadang berasosiasi pada hampir sebahagian besar membran dalam.

E. KOMPARTEMEN ENZIM

Kurang lebih 100 enzim telah diidentifikasi berhubungan dengan mitokondria. Kira-kira 37% dari enzim-enzim tersebut adalah oksidoredoks, 11% enzim ligase dan kurang dari 9% enzim hidrolase. Pada mem-bran dalam, terda-pat suksinat dehidrogenase yang merupakan enzim maker, enzim-enzim transfer elektron dan fosforilasi oksidatif berasosiasi dengan membran dalam.

Gambar-11.8 Komprtemen enzim pada mitokondria

(Thorpe,1984)

���������� 219

Matriks mengandung sekumpulan enzim yang merupakan mediator reaksi siklus asam trikarboksilat (TCA) dan berkaitan dengan sintesis protein dan asam nukleat. Semua en-zim-enzim TCA bebas di dalam mat-riks kecuali suksinat dehidrogenase, yang merupakan satu komponen membran dalam. Jadi untuk piruvat, dioksidasi sempurna menjadi CO2 dan H2O di dalam matriks. Metabolisme suksinat harus mengadakan kontak dengan membran dalam sebelum dioksidasi menjadi fumarat

Gambar-11.9 Siklus TCA. Suksinat dehidrogenase

merupakan satu-satunya enzim yang terikat membran (Thorpe, 1984)

����������220

F. GLIKOLISIS

Respirasi seluler merupakan rangkaian peristiwa yang berlangsung melalui pemecahan glukosa menjadi asam piruvat, perubahan asam piruvat menjadi asetil KoA, daur krebs dan rantai pernapasan. Walaupun glikolisis berlangsung di dalam sitoplasma, namun sebagai rangkaian dari proses respirasi seluler, maka pada uraian berikut ini juga akan dibahas mengenai glikolisis.

Glikolisis adalah proses penguraian molekul heksosa yang memiliki enam atom karbon dan berlangsung secara enzimatis untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat yang memilki tiga atom karbon. Glikolisis merupakan jalur utama dari katabolisme glukosa yang berlang-sung di dalam sitoplasma sel hewan, sel tumbuhan dan sel mikroba (Lehninger, 1994).

Glukosa dapat diperoleh melalui pemecahan polisakarida seperti pati dan glikogen melalui kerja enzim fosforilase. Disakarida seperti sukrosa dan maltosa dihidrolisis oleh sakarose menghasilkan monosakarida.

Pemecahan glukosa menjadi dua molekul piruvat berlangsung melalui 11 tahapan reaksi. Glikolisis dapat dibagi menjadi dua fase yaitu (i) fase persiapan, dan (ii) fase produksi energi dalam bentuk ATP. Fase persiapan terdiri atas lima tahapan reaksi. Heksosa lain seperti D-fruktosa, D-Galaktosa, dan D-mannosa dapat masuk ke dalam fase persiapan glikolisis setelah mengalami fosfo-rilasi. Fase produksi energi " berlangsung melalui lima tahapan reaksi berikutnya. Dalam peristiwa ini dihasilkan 4 molekul ATP.

Pada tahap awal glikolisis, glukosa diubah menjadi fruktosa 1,6 bifosfat dengan memanfaatkan dua molekul ATP. Fruktosa 1,6 bifosfat dipecah menjadi 2 molekul senyawa 3 C yaitu dihidroksi aseton fosfat dan gliseral-dehida 3 fosfat yang keduanya merupakan isomer gliseraldehida 3 fosfat. Selanjutnya mengalami reaksi dengan Pi kemudian diikuti dengan reaksi reduksi pembentukan NADP dari NAD dan terbentuk asam 1,3 difosfogliserat.

���������� 221

Gambar-11.10 Fase Persiapan glikolisis

1,3 difosfogliserat selanjutnya mengalami perubahan

melalui pembentukan senyawa-senyawa intermedit secara berturut-turut yaitu: Asam 3 fosfogliserat, asam 2 fosfogliserat, fosfoenol piruvat dan asam piruvat. Pada perubahan asam 1,3 difosfogliserat menjadi 3 fosfogliserat dan dari fosfoenol piruvat menajdi asam piruvat dirangkaikan dengan pembentukan ATP dari ADP dan Pi yang dilepaskan. Seluruh reaksi perubahan gluko-sa sehingga terbentuk asam piruvat melibatkan berbagai enzim sesuai substrat yang bereaksi. Seluruh rangkaian respirasi menghasil-kan 2 molekul ATP dan 2 NADPH.

Selama berlangsungnya glikolisis, terdapat 3 jenis transfor-masi kimia yang berbeda, yaitu: 1. Pemecahan kerangka karbon glukosa mengha-silkan asam

piruvat. 2. Fosforilasi ADP menjadi ATP oleh senyawa fosfat berenergi

tinggi yang dibentuk selama glikolisis. 3. Pemindahan atom hidrogen atau elektron.

Glukosa 6 Fosfat

Fruktosa 6 Fosfat

Fruktosa 1,6 difosfat

����������222

Menurut Sheeler dan Bianchii (1983), ada empat ciri utama gliklisis, yaitu: 1. Gula pertama menglami dua kali fosforilasi. Pada gula

seperti glukosa, fruktosa dan man-nosa membutuhkan dua molekul ATP per mol monosakarida. Sedangkan gula yang diturunkan dari glikogen atau pati, hanya membutuhkan satu mol ATP permol glukosa equivalen. Jadi fosfat an organik dibutuhkan selama fosfo-rilasi polisakarida.

2. Gula difosfat berkarbon enam dipecah oleh enzim aldolase menghasilkan gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat (DHAP) yang masing-masing beratom karbon tiga. Selanjut-nya DHAP diubah menjadi gliseraldehida-3-fosfat.

3. Oksidasi dan fosforilasi subtrat yang utama dikatalisis oleh enzim gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase. 2 mol hidrogen dilepaskan per mol subtrat dan reduksi dua mol koenzim NAD+. Pada reaksi yang sama fosfat an organik diga-bungkan ke asam.

4. Tahap akhir glikolisis. Molekul-molekul intermediat meng-alami defosforilasi yang diikuti dengan pembentukan ATP.

Gambar-11.11 Glikolisis tahap kedua

���������� 223

Tahap-tahap reaksi kimia glikolisis secara kseluruhan ditunjukkan sebagai berikut: 1. Reaksi pemindahan fosfat. Enzim kinase memindahkan

fosfat dari ATP suatu akseptor. Enzim heksokinase pada umumnya lebih spesifik untuk memindahkan fosfat ke glukosa.

2. Konversi aldosa ke ketosa. Reaksi ini dibantu oleh enzim

fosfoheksosa isomerase

3. Reaksi pemindahan fosfat. Reaksi ini dibantu oleh enzim

fosfofruktokinase.

4. Pemecahan karbohidrat enam karbon menjadi 3 carbon.

Reaksi ini dibantu oleh enzim aldolase.

����������224

5. Perubahan DHAP menjadi PGAL dengan bantuan enzim

triosa fosfat isomerase.

6. Fosforilasi gliseraldehida 3 fosfat menjadi 1,3-bifosfogliserat

dengan bantuan enzim gliseraldehida 3 fosfat dehidro-genase.

7. Defosforilasi 1,3-bifosfogliserat menjadi 3 fosfogliserat

dengan bantuan enzim fosfogliserat kinase.

���������� 225

8. Perubahan 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat dengan bantuan enzim fosfogliserat mutase.

9. Hidrolisis 2-fosfogliserat menjadi fosfoenolpruvat dengan

bantuan enzim enolase.

10. Defosforilasi fosfoenolpiruvat mejadi piruvat dengan

bantuan enzim piruvat kinase.

G. FERMENTASI Pada pristiwa glikolisis, glukosa secara bertahap diubah

menjadi asam piruvat. Asam piruvat selanjutnya dapat diubah menjadi sejumlah produk, tergantung pada kondisi metabolisme sel secara umum. Misalny asam piruvat diubah menjadi asetil KoA untuk memasuki daur asam sitrat dalam kondisi aerob atau

����������226

dikonversi menjadi etanol atau asam laktat dalam kondisi anaerob.

Gambar-11.12 Kemungkinan proses lanjut asam piruvat

G.1. Fermentasi Etanol

Fermentasi etanol dari asam piruvat berlangsung dalam keadaan anaerob. Proses ini dapat berlangsung pada ragi dan beberapa beberapa mikroorganisme lainnya.

Gambar-11.12 Fermentasi alkohol

���������� 227

Reaksi ini dikatalisis oleh piruvat dekarboksilase. Proses fermentasi etanol berlangsung dua tahap, yaitu: Tahap pertama dekarboksilasi piruvat menjadi asetaldehida dan tahap kedua adalah reduksi asetaldehida menjadi etanol oleh NADH dengan bantuan enzim alkohol dehidrogenase.

Gambar-11.13 Fermentasi alkohol

Gambar-11.14 Koenzim NAD

Hasil akhir konversi gula menjadi etanol disebut fermentasi

alkohol. Hasil bersih proses anaerob ini adalah:

Glukosa + 2Pi + 2ADP + 2H+ 2 etanol +2CO2 + 2ATP+2H2O

Hal penting untuk diperhatikan adalah bahwa NAD+ dan NADH tidak muncul dalam persamaan ini, meskipun sangat penting untuk reaksi keseluruhan. NAD+ yang dihasilkan pada reduksi asetaldehida menjadi etanol dipakai pada oksidasi giseraldehida 3 fosfat (Stryer, 2000)

����������228

G.2. Fermentasi Asam Laktat

Gambar-11.15 Fermentasi alkohol

Laktat biasanya dibentuk dari piruvat pada berbagai mikro-

organisme, tetapi juga dapat berlangsung pada organisme tingkat tinggi seperti pada manusia bila jumlah oksigen terbatas seperti pada otot disaat berlari cepat. Reduksi piruvat oleh NADH membentuk laktat dikatalisis oleh laktat dehidrogenase.

Gambar-11.16 Fermentasi laktat

Reaksi keseluruhan pada konversi glukosa menjadi laktat adalah:

glukosa + 2Pi + 2AP 2 laktat + 2ATP+2H2O

Asam laktat dan asam piruvat, di dalam sel dapat digunakan sebagai prazat untuk sintesis glukosa. Peristiwa ini dinamakan glukoneogenesis Asam laktat dan asam piruvat juga dapat digunakan sebagai prazat untuk pembentukan polisakarida lain, misalnya glikogen atau pati. Peristiwa ini merupakan peristiwa

���������� 229

anabolisme. Lintasan reaksinya ditunjukkan pada Gambar-11.17.

Gambar-11.17 Perubahan asam laktat dan piruvat

menjadi glukosa atau polisakarida lain

����������230

Perlu diketahui bahwa walaupun glukosa dapat dipecah menjadi asam piruvat atau menjadi asam laktat, dan sebaliknya asam laktat dapat dijadikan prazat untuk pembentukan glukosa maupun polisakarida lainnya, namun pada peristiwa tersebut glikolisis bukanlah kebalikan dari glukoneogenesis.

H. DEKARBOSILASI OKSIDATIF PIRUVAT

Asam piruvat sebagai senyawa produk akhir glikolisis akan mengalami reaksi dekarboksilasi oksidatif apabila cukup oksigen dan menghasilkan asetil-KoA. Proses ini berlangsung di dalam matriks mitokondria. Proses ini merupakan peng-hubung antara glikoliis dengan siklus asam trikarboksilat. Reaksi-reaksi dekarboksilasi oksidatif piruvat berlangsung dengan bantuan enzim kompleks, yaitu kmpleks piruvat dehidrogenase. Kompleks enzim ini terdiri atas tiga macam enzim yang tersusun secara terpadu (lihat Tabel-11.4)

Tabel-11.4 Sub unit kompleks piruvat dehidrogenase

Enzim Singkatan Gugus Prostetik

Piruvate dehydrogenase E1

Thiamine pyrophosphate

(TPP)

Dihydrolipoyl Transacetylase E2 Lipoamide

Dihydrolipoyl Dehydrogenase E3 FAD

���������� 231

H3C C C O−

O O

C S

O

H3C CoA

HSCoA

NAD+ NADH

+ CO2

Pyruvate Dehydrogenase

pyruvate acetyl-CoA

C

CCH

C

C

HC

NC

CN

NC

NHC

H3C

H3C

O

O

CH2

HC

HC

HC

H2C

OH

O P O P O

O

O-

O

O-

Ribose

OH

OHAdenine

C

CCH

C

C

HC

NC

C

HN

NH

C

NHC

H3C

H3C

O

O

CH2

HC

HC

HC

H2C

OH

O P O P O

O

O-

O

O-

Ribose

OH

OH

AdenineFAD FADH2

2 e− + 2 H+

dimethylisoalloxazine

FAD (Flavin Adenine Dinucleotide) dibentuk dari riboflavin. Cincin dimetilisoalloksasine mengalami oksidasi atau reduksi. FAD adalah gu secara permanent pada bagian E3. Reaksi: FAD + 2 e- + 2 H+ �� FADH2

Thiamine pyrophosphate (TPP) adalah turunan dari tiamin atau vitamin B1.

����������232

S CH2

CH2

CHS

CH2 CH2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH

NH

C O

O

HS CH2

CH2

CHHS

CH2 CH2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH

NH

C O

O

2e− + 2H+

lipoamide

dihydrolipoamide

lysine lipoic acid

S CH2

CH2

CHS

CH2 CH2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH

NH

C O

O

− +

lipoamide

lysine lipoic acid

���������� 233

Gambar-11.18 Pembentukan asetil KoA

I. SIKLUS KREBS Terdapat hubungan yang erat diantara organisasi struktur

mitokondria dengan beberapa fungsi-fungsi metabolisme yang spesifik. Dewasa ini, lokasi berbagai jenis enzim di dalam mitokondria telah diketahui dan secara umum terdapat keterkaitan fungsional antara membran luar, membran dalam, ruang intermembran, dan matriks.

Sejumlah hasil telaah yang mendalam telah dipelajari di dalam mitokondria antara lain oksidasi substrat, rantai respirasi

����������234

dan fosforilasi oksidatif. Hasil-hasil reaksi metabolisme yang berlangsung di dalam sitosol seperti pembentukan piruvat selama glikolisis memasuki mitokondria untuk dioksidasi di dalam daur krebs. Enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi tersebut terletak di dalam matriks atau pada permukaan membran dalam yang menghadap matriks kecuali suksinat dehidrogenase. Hasil akhir dari oksidasi yang berlangsung di dalam daur krebs adalah CO2, dan air. Selain itu dihasilkan sejumlah komponen-komponen tertentu seperti NADH yang berpartisipasi di dalam rantai respirasi atau rantai transpor elektron dan secara khusus berhubungan dengan membran dalam mitokondria. Hasil dari reaksi-reaksi yang berlangsung selama rantai respirasi adalah reduksi O2 untuk membentuk H2O. Selain itu selama berlangsungnya rantai respirasi juga berlangsung fosforilasi oksidatif yang mengubah ADP menjadi ATP.

Piruvat dan berbagai molekul-molekul sederhana yang lain yang dihasilkan selama metabolisme di dalam sitosol berdiffusi melalui membran luar mitokondria masuk ke dalam ruang intermembran. Selanjutnya memasuki membran dalam untuk melangsungkan tiga reaksi utama yaitu daur krebs, oksidasi reduksi rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif. Piridin nukleotida yang tereduksi selama berlangsungnya reaksi-reaksi di dalam sitosol (misalnya NADH yang dihasilkan dalam lintasan glikolisis, NADPH yang dihasilkan dalam lintasan pentosa fosfat), juga dapat melintasi membran luar mitokondria. Ringkasan reaksi-reaksi yang terjadi di dalam daur Krebs ditunjukkan pada Gambar-11.19.

���������� 235

Gambar-11.19 Siklus Krebs

Daur Krebs memiliki keterkaitan yang sangat erat dengan

rantai respirasi. Di dalam rantai respirasi berlangsung reaksi oksidasi reduksi yang menghantarkan elektron dan H+ ke O2 untuk membentuk air. Seiring dengan berlangsungnya rantai respirasi, juga berlangsung fosforilasi oksidatif yang mengubah ADP menjadi ATP (Gambar-11.20).

����������236

Gambar-11.20 Reaksi oksidasi reduksi dalam rantai

respirasi (Sheeler & Bianchi, 1983)

Masalah yang muncul adalah karena berbagai koenzim dalam bentuk tereduksi seperti NADH dan NADP tidak dapat melintasi membran dalam mitokondria. Nukleotida piridin dalam bentuk tereduksi dihasilkan dalam sejumlah reaksi-reaksi metabolisme yang berlangsung di dalam sitosol dan reoksidasi NADH yang berlangsung di dalam mitokondria. Untuk itu, ada dua mekanisme yang ditempuh, yaitu (i) shuttle gliserolfosfat dan (ii) shuttle malat-aspartat .

���������� 237

Gambar-11.21 Shuttle gliserolfosfat

Gambar-11.22 Shuttle malat aspartat

I.1. Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif

Pada tahap glikolisis metabolisme asam piruvat dan siklus Krebs, terjadi 5 kali reaksi dehidrogenase substrat dengan mereduksi NAD+ menjadi NADH dan satu kali reaksi dehidrogenase terjadi dengan mereduksi FAD menjadi FADH.

Substrat yang teroksidasi (3-fosfogliseraldehida, asam piruvat, asam a-ketoglutarat, asam suksinat, dan asam malat) mulai-mula akan bereaksi dengan NAD. Substrat akan

����������238

melepaskan 2 elektron dan 2 ke NAD mengakibatkan NAD akan tereduksi menjadi NADH2. NADH2 atau memindahkan 2 elektron dan 2 H+ ke FAD atau FMN yang mengakibatkan FAD tereduksi menjadi FADH2 atau FMNH2 dan sebahagian energinya digunakan untuk sintesa 1 molekul ATP dari ADP dan Pi. NADH + H+ + ADP + Pi + ½ O2 NAD + H2O + ATP

FADH2 atau FMNH2 selanjutnya memindahkan 2 elektron dan 2 H+ ke suatu enzim yang mengandung besi (Fe) yang terikat pada gugus SH. Hal ini mengakibatkan enzim tersebut tereduksi dan menyebabkan Fe+++ (fero) teroksidasi menjadi Fe++ (feri). Selanjutnya dari enzim ini memindahkan 2 elektron dan 2 H+ ke ubiquinon (UQ).

Gambar-11.23 Model transpor elektron dan fosforilasi oksidatif pada rantai respirasi

2 Fe2+ + 2 H+ + ½ O2 2 Fe3+ + H2O

Pada tahap terakhir dari rantai transfer elektron dalam rantai respirasi ini melibatkan ion tembaga (Cu++) antara komponen Fe dengan sit a dan sit a3. Setiap NADH2 dalam transpor elektron akan diproduksi 3 molekul ATP, sedang untuk setiap molekul FADH2 hanya diproduksi 2 molekul ATP karena FADH2 masuk ke dalam sistem angkutan setelah NADH2. pembawa elektron berikutnya. Demikian seterusnya terjadi pemindahan

���������� 239

elektron dan H+ ke pembawa elektron berikutnya dan secara bergantian terjadi reduksi dan oksidasi sampai pada pembawa elektron terakhir dari rantai respirasi.

Enzim dan pembawa elektron pada rantai respirasi terdiri dari beberapa komponen yaitu lemak, protein strukturil, flavoprotein, ubiquinon, dan sitokrom. Lemak dan protein strukturil dalam rantai respirasi baru jelas peranannya dalam rantai transpor elektron, sedang sitokrom, ubiquinon, dan flavoprotein mengkatalisis irutan tahap reaksi transfer elektron dalam rantai transpor elektron Ubiquinon disebut pula koenzim Q (Ko-Q) merupakan senyawa seperti halnya plastoquinon yang terdapat dalam khloroplas.

Sitokrom merupakan suatu protein yang mengandung besi dalam cincin porfirin. Sitokrom dalam rantai transfer elektron dibedakan atas sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom oksidase yang terdiri dari sitokrom a dan sitokrom a3. Trnasfer elektron dari ubiquinon ke sitokrom c dan dari sit a ke sit a3 terjadi pembebasan energi yang selanjutnya digunakan untuk sintesa ATP. Pada sitokrom a3 elektron ditransfer ke O2 yang selanjut-nya tereduksi menjadi air.

I.2. Efisiensi Respirasi

Setelah diketahui seluruh tahap reaksi kimia respirasi, maka dapat dihitung tingkat efisiensi respirasi. Dari seluruh rangkaian respirasi diperoleh bahwa setiap 2 molekul heksosa (glukosa) 2 molekul asam piruvat pada tahap glikolisis. Pada tahap reaksi glikolisis diperoleh 1 NADH2/NADPH2 dan 2 ATP, sedang pada dehidrogenase oksidatif piruvat diperoleh 1 NADH2 untuk setiap molekul asam piruvat. Pada tahap reaksi glikolisis diperoleh 3 NADH2, 1 FADH2 dan 1 molekul GTP yang dapat menghasilkan 1 ATP untuk setiap molekul asetil Ko-A. Dengan demikian, maka reaksi-reaksi yang terjadi pada respirasi aerob diperoleh; 2(1+1+3) NADPH2 = 11 NADPH2; 2x1 FADH2 = 2 FADH2 dan 2x2 ATP = 4 ATP.

����������240

Pada proses pengangkutan elektron melalui rentai respirasi aerob, diperoleh bahwa setiap NADPH2 serta dengan 3 ATP dan setiap 1 FADH2 diperoleh 2 ATP (lihat Gambar 53), sedang rincian produksi ATP pada glikolisis dekarboksilasi oksidasi piruvat dan siklus Krebs diperlihatkan pada Gambar 54. Dengan demikian, maka diperoleh 11 x 3 ATP = 30 ATP, 2x2 ATP = 4 ATP dan 4 ATP terbentuk secara langsung. Energi yang dimanfaatkan dalam berbagai metabolisme adalah energi yang terkandung dalam ikatan P yang ketiga dari ATP. Konsumsi ATP

Jalur metabolisme

Fosforilasi

tingkat substrat

Fosforilasi tingkat

ETS

1 glukosa 1 ATP .......................................

............

1 ATP ...................................................

2 fosfogliseraldehid

................................ ......................4 atau 6 ATP

2 asam

difosfogliserin

.......................2 ATP .......................2 ATP 2 piruvat ....................... ......................6 ATP 2 asetil KoA 2 as. Sitrat ....................... ......................6 ATP 2 α-ketoglutarat ....................... ......................6 ATP 2 suksinil KoA .......................2 GTP

(ATP)

2 Suksinat

���������� 241

....................... ......................4 ATP 2 fumarat ....................... ......................6 ATP 2 oksaloasetat 2 ATP 6 ATP 32 atau 34

ATP

Dengan memperhatikan berbagai reaksi yang berlangsung sejak di dalam sitosol hingga di dalam mitokondria serta kedua mekanisme shuttle di atas, maka untuk satu molekul glukosa yang mengalami oksidasi secara sempurna akan menghasilkan ATP kotor sebanyak 38 atau 40 dan menghasilkan ATP bersih sebanyak 36 atau 38 (Gambar-11.24).

Gambar-11.24 Ringkasan produksi ATP bila satu molekul glukosa mengalami oksidasi secara sempurna (Sheeler & Bianchi, 1983)

����������242

I.3. Mitokondria sebagai Organel Semi Otonom

Peranan mtDNA dalam mitokondria sama dengan peranan DNA dari sel eukariotik yang menghasilkan rRNA, tRNA, dan mRNA. Selanjutnya, ditranslasi menjadi protein. Walaupun peranannya sama, tetapi produksinya tidak sama.

Mitokondria merupakan organel semi otonom (Gambar-11.25) dalam hal ini, terjadi hubungan fungsional antara inti dan mitokondria.

Gambar-11.25 Hubungan fungsional antara inti dengan mitokondria (Thorpe, 1984)

Mekanisme transkripsi dan translasi pada mitokondria tergantung pada genetik inti. Bahan-bahan tertentu seperti rRNA, tRNA, dan mRNA, tidak tergantung pada inti. Protein -protein tertentu yang ditentukan oleh inti misalnya protein ribosom, RNA polimerase, DNA polimerase, tRNA-aminoasil sintetase, dan faktor-faktor sintesis protein. Dari gambaran di atas, jelas bahwa untuk aktivitas mitokondria, beberapa kebutuhannya masih tergantung pada inti. Namun beberapa kebutuhan yang lain tidak tergantung pada inti. Oleh sebab itu, mitokondria dianggap sebagai organel semiotonom.