BIOENERGETIKA, OKSIDASI BIOLOGI (PERANAN ATP), RANTAI RESPIRATORIK, DAN FOSFORILASI OKSIDATIF

TUGAS METABOLISME MAKRO

PENDAHULUAN

     Dalam tubuh manusia terdapat berbagai sistem organ yang tersusun atas jaringan dan sel. Setiap jaringan dan sel memiliki fungsi masing-masing dan bekerja sesuai dengan apa yang dibutuhkan oleh manusia itu sendiri. Dalam melaksanakan fungsi sel tersebut masing masing sel membutuhkan energy, energi tidak didapat denga sedirinya melainkan melewati beberapa proses. Proses penghasilan energi termasuk dari salah satu metabolisme di dalam tubuh manusia.

Metabolisme merupakan rangkaian proses transformasi dalam tubuh yang mengubah senyawa kimia termasuk zat gizi dalam makanan. Metabolisme dibagi menjadi dua yaitu anabolisme dan katabolisme. Anabolisme yaitu proses untuk membuat senyawa yang lebih besar dan kompleks dari zat gizi dan senyawa yag lebih sederhana. Katabolisme adalah proses pemecahan senyawa kimia dari molekul besar menjadi lebih kecil yang umumnya berupa reaksi oksidasi untuk menghasilkan energi.

Dalam penerapan  ilmu, metabolisme dibagi menjadi dua bagian yaitu metabolisme makro dan mikro. Dalam  metabolisme makro, seperti namanya mempelajari tentang zat gizi makro seperti, karbohidrat, protein, dan  lipid (lemak). Sebaliknya, metabolisme mikro mempelajari tentang metabolisme zat gizi mikro yang terdiri dari macam-macam vitamin dan mineral.

Dalam makalah ini kami akan membahas tentang bioenergetika, oksidasi biologi (peranan ATP), rantai respiratorik, dan fosforilasi oksidatif.

Bioenergetika(termodinamika biokimia) merupakan ilmu tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Dalam suatu sistem energi bebas adalah energi yang bermanfaat. Perubahan energi bebas Gibbs (∆G) adalah bagian dari perubahan total dalam suatu sistem yang tersedia untuk melakukan kerja-yi. Energi yang bermanfaat dikenal sebagai potensial kimia.

Sistem biologis mengikuti hukum dasar termodinamika. Hukum I termodinamika yaitu energi total suatu sistem da sekitarnya tetap konstan, dalam arti tidak ada energi yang hilang atau bertambah akan tetapi hanya berpindah dari satu bagian sistem ke bagian sistem lainnya. Hukum II temodinamika yaitu entropi (kekacauan) total suatu sistem harus meningkat. Jikasuatu proses terjadi secara normal entropi menjadi maximal saat mendekati keseimbangan.

∆G = ∆H T∆S

∆G       : Perubahan energi bebas

∆H       : Perubahan entalpi

T∆S     : Suhu mutlak perubahan entropi

Apabila ∆G negatif => reaksi akan berlangsung spontan ( bersama hilangnya energi;yi) => sifat reaksi : eksergonik, apabila ∆G berukuran  besar reaksi berlangsung hampir tuntas dan irreversibel.

Apabila ∆G positif => reaksi akan berlangsung saat energi bebas diperoleh; yi => reaksi bersifat endergonik apabila ∆G berukuran besar sistem ini stabil, jika ∆G nol sistem seimbang dan tidak terjadi perubahan netto.

∆G⁰ : Perubahan energi bebas standar pada keadaan standar

Untuk reaksi biokimia, keadaan standar didefinisikan sebagai PH 7,0 dan reaktan-reaktan yang terkandung di dalamnya terdapat pada posisi konsentrasi 1,0 mol/L.

Proses endergonik berlangsung dengan mengaitkannya ke proses eksergonik. Dalam praktiknya proses endergonik tidak dapat berdiri sendiri, melainkan menjadi komponen dari sistem gabungan eksergonik-endergonik yang mengalami perubaha netto secara keseluruhan bersifat eksergonik. Reaksi eksergonikdisebut katabolisme (penguraian / oksidasi molekul bahan bakar). Reaksi sintesis yang membentuk zat disebut anabolisme. Kombinasi kedua proses ini disebut metabolisme.

Metode lain untuk penggabungan proses eksergonik dan endergonik adalah melalui sintesis suatu senyawa dengan potesial energi tinggi dalam reaksi eksergonik, dan memasukkan senyawa baru ke dalam reaksi endergonik sehingga terjadi pemindahan energi bebas dari jalur eksergonik ke endergonik.

Fosfat berenergi tinggi berperan penting dalam pengambilan dan pemindahan energi Organisme autotrofik ( yang memakan satu jenis makanan) melakukan metabolisme dengan proses eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri tertentu menggunakan reaksi Fe²⁺ =>Fe³⁺.

Organisme heterotrofik ( yang keperluan hidupnya bergantung dengan mahluk hidup lainnya) memperoleh energi bebas dengan menggabungkan metabolismenya dengan peguraian molekul organik kompleks dalam lingkungan organisme tersebut.

Pada kedua jenis organisme ini ATP berperan penting dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke endergonik.

Nilai untuk hidrolisis fosfat terminal padaATP membagi daftar menjadi dua kelompok :

1.      Fosfat berenergi-rendah

Ester fosfat yang ditemukan pada zat-zat perantara glikolisis, memiliki nilai ∆G⁰ yang lebih kecil daripada nilai ATP.

2.      Fosfat berenergi-tinggi

Nilainya lebih besar dari ATP.

Fosfat berenergi tinggi diwakili oleh ~p

~p:gugus yang melekat pada ikatan

(pada pemindahan ke akseptor yang sesuai menyebabkan pemindahan energi bebas dalam jumlah besar)

Tiga Sumber utama ~p (yang ikut serta dalam konservasi energi /penangkap energi) :

1.      Fosforilasi oksidatif

ü  Sumber ~p yang secara kuantitatif terdapat pada organisme aerob

ü  Energi bebas berasal dari oksidasi rantai pernapasan yang menggunakan O₂ molekular dalam mitokondria

2.      Glikolisis

ü  Pembentukkan netto dua~p berasal dari pembentukkan laktat 1 molekul glukosa

ü  Dihasilkan dalam 2 reaksi yang masing-masing dikatalisis oleh fosfogliserat kinase dan piruvat kinase

3.      Siklus asam sitrat

Satu ~p dihasilkan secara langsung dalam siklus di tahap suksinil tiokinase.

ATP bekerja sebagai “alat tukar energi” sel yang memindahkan energi bebas yang berasal dari zat dengan potensial tinggi ke zat dengan energi potensial lebih rendah.

Oksidasi biologi

Oksidasi adalah pengeluaran elektron dan reduksi adalah pemerolehan elektron. Sebagai contoh adalah oksidasi ion fero menjadi feri yang dilukiskan pada Gambar. Dengan demikian oksidasi akan selalu disertai reduksi akseptor elektron.

Gambar Oksidasi ion fero menjadi feri

Enzim-enzim penting dalam oksidasi biologi

Enzim-enzim yang terlibat dalam reaksi reduksi dan oksidasi dinamakan enzim oksidoreduktase. Terdapat 4 kelompok enzim oksidoreduktase yaitu: oksidase, dehidrogenase, hidroperoksidase dan oksigenase.

1. Oksidase

Enzim oksidase mengkatalisis pengeluaran hidrogen dari substrat dengan menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim tersebut membentuk air atau hidrogen peroksida. Contoh peran enzim tersebut dilukiskan pada Gambar

Gambar Oksidasi metabolit yang dikatalisis oleh enzim oksidase

Termasuk sebagai oksidase antara lain sitokrom oksidase, oksidase asam L-amino, xantin oksidase, glukosa oksidase.

Sitokrom Oksidase

Sitokrom Oksidase adalah suatu hemoprotein yang terdistribusi luas dalam banyak jaringan, memiliki gugus prostetik heme tipikal, dan terdapat di myoglobin, hemoglobin, dan sitokrom lain. Enzim ini adalah komponen terminal pada rantai respiratorik yang terdapat di mitokondria dan memindahkan electron yang terbentuk dari oksidasi molekul substrat oleh dehidroginase ke akseptor akhirnya, yaitu oksigen. Enzim ini diracuni oleh karbon monoksida, sianida, dan hidrogen sulfide.

Oksidase Asam L-Amino

Oksidase Asam L-Amino adalah contoh dari enzim flavorprotein, suatu enzim terkait-FMN( flavin mononukleutida ) yang terdapat di ginjal dengan spesifisitas umum untuk deaminasi oksidatif asam L-amino alami.

Xantin Oksidase

Xantin Oksidase yang mengandung molybdenum dan berperan penting dalam perubahan basa purin menjadi asam urat dan sangat penting pada hewan urikotelik.

2. Dehidrogenase

Dehidrogenase tidak dapat menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen. Enzim-enzim ini memiliki 2 fungsi utama yaitu:

Pertama, berperan dalam pemindahan hidrogen dari substrat yang satu ke substrat yang lain dalam reaksi reduksi-oksidasi berpasangan.

Kedua, sebagai komponen dalam rantai respirasi pengangkutan elektron dari substrat ke oksigen.

Gambar Oksidasi suatu metabolit yang dikatalisis oleh enzim-enzim dehidrogenase

Contoh dari enzim dehidrogenase adalah suksinat dehidrogenase, asil-KoA dehidrogenase, gliserol-3-fosfat dehidrogenase, semua sitokrom kecuali sitokrom oksidase.

3. Hidroperoksidase

Enzim hidroperoksidase menggunakan hidrogen peroksida atau peroksida organik sebagai substrat. Ada 2 tipe enzim yang masuk ke dalam kategori ini yaitu peroksidase dan katalase. Enzim hidroperoksidase melindungi tubuh terhadap senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya. Penumpukan peroksida menghasilkan radikal bebas yang dapat merusak membran sel dan menimbulkan kanker serta aterosklerosis.

Peroksidase ditemukan dalam susu dan di leukosit, trombosit, dan jaringan lain yang terlibat dalam metabolisme eicosanoid. Gugus prostetik adalah protoheme.

H₂O₂ + AH₂                            2H₂O + A

Katalase adalah suatu hemoprotein yang mengandung empat gugus heme. Selain memiliki aktivitas peroksidase, enzim golongan ini juga mampu menggunakan satu molekul H₂O₂ sebagai substrat.

2H₂O₂                              2H₂O + O₂

4. Oksigenase

Oksigenase mengkatalisis pemindahan langsung dan inkorporasi oksigen ke dalam molekul substrat. Enzim ini dikelompokkan menjadi 2 yaitu monooksigenase dan dioksigenase.

Monooksigenase ( hidroksilase, oksidase fungsi-campuran) hanya memasukkan satu atom oksigen molecular ke dalam substrat. Dioksigenase menggabungkan kedua atom oksigen molecular ke dalam substrat.

Rantai Respirasi dan Fosforilasi Oksidatif

Rantai Respirasi adalah rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung.

Fosforilasi Oksidatif adalah sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP).

Proses Fosforilasi Oksidatif

Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida. NAD+ dan flavin adenin dinukleotida (FAD). Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria.

Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis.

Organisme aerob mampu menangkap jauh lebih banyak energi bebas dalam substrat respiratorik dari pada organisme anaerob. Sebagian besar proses ini berlangsung di dalam mitokondria yang disebut sebagai “powerhouse” sel.

Seperti yang telah kita ketahui bahwasannya mitokondria merupakan tempat terjadinya semua proses terbentuknya energi yang biasa disebut dengan fosforilasi oksidatif. Mitokondria dibagi menjadi 3 bagian yaitu :

1.      Membran Eksternal

Mitokondria memiliki membran eksternal yang permeabel terhadap sebagian besar metabolit. Yang ditandai oleh adanya berbagai enzim, termasuk asil-KoA sintetase dan gliserolfosfat asiltrasferase.

2.      Membran Internal

Membrane internal bersifat permeabel selektif dan membungkus matriks di dalamnya. Tersusun di dalam bentuk lipatan. Fosfolipid kardiolipin terkonsentrasi di membrane dalam bersama dengan enzim rantai respiratorik, ATP sintase dan berbagai transporter membran.

3.      Ruang Antar Membran

Terletak antar membran internal dan eksternal. Adenilil kinase dan keratin kinase ditemukan di ruang antar membrane.

Sebagian enzim yang berada di mitokondria :

a.       Enzim Suksinat Dehidrogenese

Terdapat pada permukaan dalam membran internal mitokondria. Berfungsi sebagai carrier elektron ke dalam rantai respirasi intra mitokondria. Masuk dalam bagian siklus asam sitrat.

b.      Glisero-3-Fosfat-Dehidrogenase

Terdapat pada permukaan luar membran internal mitokondria. Masuk ke dalam gliserofat shuttle.

Komponen Rantai Respirasi

Di dalam rantai respirasi terdapat beberapa komponen yang membantu proses rantai respiresi. Diaantaranya :

Hydrogen dan elektron       Carrier redoks       Flavoprotein dan sitokrom

dan terdapat pula beberapa komponen tambahannya yaitu :

1.      Protein Besi Sulfur (Fe S)         

2.      Berikatan dengan flavoprotein dan sitokrom b

3.      Ubikuinon (Koenzym Q)

4.      Tdp dlm mitokondria dlm btk kuinon (aerob) dan kuinol (anaerob)

5.      Rantai samping berupa isoprenoid

Proses Rantai Respirasi

 Disini terdapat komponen rantai respiratorik terkandung dalam lima kompleks protein besar pada membran dalam mitokondria diantaranya :

1.      Kompleks I   : NADH (FeS dan Mn)

Pada tahap ini, nukleutida flavin teroksidasi (FMN atau FAD) dapat mengalami reduksi pada reaksi yang melibatkan pelepasan 2 elektron (untuk membentuk FMNH₂ atau FADH₂), tetapi senyawa ini dapat menyerap satu elektron untuk membentuk semikuinon, kemudian ke protein besi-sulfur dan terakhir ke koenzim Q (ubiquinon)

2.      Kompleks II  : Suksinat Dehidrogenase (FeS dan FAD)

FADH2 di bentuk sewaktu terjadinya konversi suksinat menjadi fumarat dalam siklus asam sitrat dan elektron selanjutnya dipindahkan melalui beberapa inti Fe-S ke Q. Gliserol-3-fosfat (di hasilkan saat penguraian triasilgliserol atau dari proses glikolisis) dan asil KoA juga menyalurkan elektron ke Q melalui jalur berbeda yang melibatkan flavoprotein.

3.      Kompleks III : Sitokrom b-c1

CoQ memindahkan elektron ke serangkaian sitokrom dan protein besi-sulfur. Sitokrom terdiri atas kelompok heme seperti hemoglobin dan besi dengan heme menerima elektron.

4.      Kompleks IV : Sitokrom Oksidase (a3)

Pada kompleks IV ini merupakan penerimaan terakhir dari rantai transport elektron yang melibatkan 2 gugus heme, α dan α_3, dan Cu.

5.      Komponen V : (Koenzym Q dan Sitokrom C)

Pada tahap ini, protein kompleks yang mengkatalisis konversi ADP menjadi ATP, diisikan oleh gradien kemiosmotik. Proton mengalir kembali ke matriks mitokondria melalui kompleks ATP sintase dan energi berasal dari penurunan gradien pH digunakan untuk membentuk ATP.

Pada fosforilasi oksidatif, pelibatan NADH menghasilkan pembentukan 3 molekul ATP, sedangkan pelibatan FADH2 menghasilkan pembentukan 2 molekul ATP.

Menurut perkiraan, untuk setiap NADH yang teroksidasi, kompleks I dan III masing-masing memindahkan empat proton dan kompleks IV memindahkan dua proton.

Rantai Respirasi

ü  Apabila substrat teroksidasi lewat enzim dehidrogenase NAD maka kurang lebih 3 mol ATP per ½ mol O2 yg terbentuk dari rantai respirasi yaitu rasio P:O = 3

ü  Apabila substrat teroksidasi lewat enzim dehidrogenase FAD maka hanya 2 mol ATP yang terbentuk yaitu rasio P:O = 2.

Regulasi Respiras

Laju respirasi mitokondria dikendalikan oleh :

1.      Konsentrasi ADP

Hal ini terjadi karena oksidasi dan fosforilasi berkopel erat, oksidasi tidak dapat berlangsung melalui rantai respiratorik tanpa dibarengi oleh fosforilasi ADP.

2.      Kadar Fosfat Anorganik

Sewaktu respiratorik meningkat (seperti saat olah raga), sel mendekati keadaan 3 atau 5 sewaktu kapasitas rantai respiratorik menjadi tersaturisasi atau PO₂  menurun di bawah K_m heme α₃.

3.      Adenin Nukleotida Carrier

Dalam mitokondria memperlihatkan 5 keadan yang mengendalikan laju respirasi :

1.      Keadaan 1  : ketersediaan ADP dan Substrat.

2.      Keadaan 2  : hanya ketersediaan Substrat .

3.      Keadaan 3 : kapasitas rantai respiratorik itu sendiri, jika semua substrat dan komponen berada dalam keadaan jenuh.

4.      Keadaan 4   : hanya ketersediaan ADP

5.      Keadaan 5  : hanya ketersediaan oksigen atau O_2.

Sebagian besar sel dalam keadaan istirahat berada di keadaan 4, dan respirasi dikontrol oleh ketersediaan ADP. Sehingga respirasi dapat meningkat yang selanjutnya memulihkan simpanan ATP.

Inhibitor (penghambat) Rantai Respiratorik

Inhibitor dapat di klasifikasikan sebagai :

a.       Inhibitor Fosforilasi Oksidasi

Antibiotik oligomisin menghambat oksidasi dan fosforilasi sepenuhnya dengan menghambat aliran proton melalui ATP sintase.

b.      Uncoupler Agent (pemisahan kopel)

Memisahkan oksidasi dalam rantai respiratorik dari fosforilasi. Senyawa ini bersifat toksin in vivo, menyebabkan respirasi menjadi tidak terkendali karena lajunya tidak lagi dipengaruhi oleh konsentrasi ADP atau Pi.

c.       Atraktilosida

Menghambat fosforilasi oksidatif dengan menghambat pemindahan ADP kedalam dan ATP keluar mitokondria.

Teori Kemiosmotik

            Teori ini dapat menjelaskan control respirasi dan kerja pemisah kopel. Terdapat perbedaan antara kedua sisi membrane yang setelah menjadi hasil translokasi proton, akan menghambat transport lebih lanjut melalui rantai respiratorik, kecuali jika terjadi translokasi balik melewati membrane melalui ATP sintase.  

               ATP sintase menembus membrane dan menjadi motor putar dengan menggunakan energy proton untuk membuat ATP dari ADP dan P. dengan ini, oksidasi dikopel dan fosforilasi sangat erat dalam pembentukan energy sel. Memberan dalam mitokondria bersifat impermeable, maka dari itu dibutuhkan transporter khusus untuk menembus membrane ion-ion seperti OH, ATP, ADP dan metabolit juga dapat lewat tanpa menghilangkan gradient elektronika di kedua sisi membrane. Racun yang sudah di kenal seperti sianida mampu menghentikan respirasi dengan menghambat rantai respiratorik. 

PENUTUP

              Demikian makalah ini kami buat. Terimakasih kepada Allah SWT yang telah memberi kami kemudahan dalam mengerjakan tugas ini. Terimakasih kepada dosen pembimbing atas dukungan dan do’a beliau, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan semangat dan baik. Tak lupa terimakasih kepada teman sekalian yang telah salah bahu membahu mendukung kerja kami dalam membuat makalah ini. Semoga makalah yang kami buat dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya dan menjadi amal jariyyah kami di masa yang akan datang. Amiin !

Sekian ….

Wasaalamua’alaikum warahmatullahi wa barakatuhu