BIOKIMIA IPA1 ‘22 F O S F O R I L A S I O K S I D A T I F I P A 1 ' 2 2
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Definisi dan konsep dasar fosforilasi oksidatif Merupakan tahap akhir metabolisme, dimana dalam tahap ini terjadi proses pembentukan ATP (adenonin fosfat) yang merupakan sumber energi utama sel dari NADH/FADH ke O2 melalui rangkaian pembawa elektron. Fosforilasi oksidatif sendiri terjadi di dalam membran mitokondria. Tepatnya proses ini terjadi di membran dalam mitokondria yaitu di matriks membran dimana rantai transport elektron dan ATP synthase berlokasi. Struktur dan komponen mitokondria yang khas memungkinkan terjadinya proses ini dengan efisien, sehingga menghasilkan energi yang dibutuhkan oleh sel untuk menjalankan berbagai aktivitas dan fungsi metaboliknya. Beberapa proses metabolisme sebelumnya seperti glikolisis dan situs asam sitrat menghasilkan NADH sebanyak 10 dan FADH2 sebanyak 2. NADH dan fadh2 ini dioksidasi untuk melepaskan elektron yang berenergi tinggi, kemudian akan melalui Kompleks protein, selanjutnya menuju oksigen sebagai akseptor elektron terakhir. Secara keseluruhan, fosforilasi oksidatif menghasilkan ATP sebagai sumber utama energi seluler dengan memanfaatkan energi yang terkandung dalam molekul-molekul makanan. Ini adalah proses yang efisien dan penting untuk menjaga fungsi normal sel dan organisme.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Struktur mitokondria dan peranannya dalam fosforilasi oksidatif Mitokondria adalah organel yang terdapat di dalam sel eukariotik. Mereka memiliki struktur unik yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif dan produksi energi seluler. Berikut adalah struktur dan komponen mitokondria: a. Membran Luar Mitokondria: Membran luar mitokondria mengelilingi seluruh organel dan terpisah dari sitosol.Membran ini memiliki komposisi yang mirip dengan membran seluler, terdiri dari lapisan lipid fosfolipid dan berbagai protein. b. Membran Dalam Mitokondria: Membran dalam mitokondria terletak di dalam membran luar mitokondria dan memiliki banyak lipoprotein lipatan yang disebut krista. Krista meningkatkan luas permukaan membran, memberikan lebih banyak ruang untuk rantai transport elektron dan ATP synthase. c. Matriks Mitokondria: Matriks mitokondria adalah bagian dalam mitokondria yang terletak di antara membran dalam.Matriks mengandung air, enzim, DNA mitokondria, RNA mitokondria, ribosom mitokondria, dan berbagai substrat metabolik.Proses seperti siklus Krebs terjadi di matriks mitokondria, menghasilkan molekul-molekul yang diperlukan untuk fosforilasi oksidatif. d. DNA Mitokondria: Mitokondria memiliki DNA sendiri yang disebut DNA mitokondria (mtDNA).DNA mitokondria mengkodekan beberapa protein yang diperlukan dalam rantai transport elektron dan fosforilasi oksidatif.DNA mitokondria juga memiliki beberapa molekul RNA yang berperan dalam sintesis protein mitokondria. e. Rantai Transport Elektron: Rantai transport elektron terletak di dalam membran dalam mitokondria.Ini terdiri dari sejumlah kompleks protein, termasuk NADH dehidrogenase, sitokrom b kompleks, sitokrom c oksidase, dan ATP synthase.Rantai transport elektron mengandung pengangkut
BIOKIMIA IPA1 ‘22 elektron dan pompa proton yang mentransfer elektron dan memompa proton untuk menciptakan gradien elektrokimia. f. ATP Synthase: ATP synthase adalah enzim yang terletak di dalam membran dalam mitokondria.Ini berfungsi menghasilkan ATP dengan menggunakan energi yang tersimpan dalam gradien elektrokimia proton yang dihasilkan oleh rantai transport elektron.ATP synthase memiliki dua komponen utama: F0 yang tertanam dalam membran dan F1 yang terletak di dalam matriks.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Mekanisme fosforilasi oksidatif Mekanisme fosforilasi oksidatif melibatkan serangkaian proses yang terjadi di dalam mitokondria sel eukariotik. Berikut adalah mekanisme secara rinci: 1. Transport Elektron: a. Kompleks I (NADH Dehidrogenase): NADH yang dihasilkan selama glikolisis dan siklus asam sitrat, akan teroksidasi menjadi NAD+ dan melepaskan elektron berenergi tinggi yang diterimaoleh akseptor elektron di kompleks protein 1. Ketika elektron melalui Kompleks protein 1 maka akseptor elektron nya akan melepaskan energi yang selanjutnya menyebabkan terjadi pompa ion hidrogen atau Proton dari matriks ke intermembran mitokondria. Jumlah proton yang dipompa pada kompleks protein 1 sejumpaj 4 proton. b. Kompleks II (Sukcinat Dehidrogenase): FADH2, yang dihasilkan selama siklus asam sitrat, dioksidasi menjadi FAD. karena protein pada komples 2 ini termasuk protein perifer maka tidak ada proton yang dipompa dari matriks ke intermembran. 2. Koenzim Q (Ubikuinon): Koenzim Q (Q) membawal elektron dari kompleks I dan II, dan mengangkutnya ke
BIOKIMIA IPA1 ‘22 kompleks III. Selama proses ini tidak terjadi pompa hidrogen karena ubikuinone hanya sebagai kareer elektron 3. Kompleks III (Sitokrom bc1 kompleks): Elektron yang dibawa oleh ubikuinone diterima oleh kompleks III, dan proton dipompa dari matriks ke intermembran dengan jumlah proton yang dipompa disini adalah empat Proton. 4. Sitokrom C: Sitokrom C mengambil elektron dari kompleks III dan mengangkutnya ke kompleks IV. 5. Kompleks IV : Kompleks IV menerima elektron dari sitokrom C dan juga menerima elektron dari kompleks II. Elektron-elektron ini akan dilepaskan ke oksigen sebagai akseptor elektro terakhir dan mengakibatkan oksigen pecah menjadi 2 atom oksigen, yang mana setiap atom oksigen akan berikatan dengan 2 ion H atau air (H2O). Jadi kompleks 1 dan 3 memompa masing-masing 4 proton, sedangkan kompleks 4 memompa 2 proton. Jadi dari hasil dari 1 oksidasi NADH menghasilkan 10 proton, dan hasil dari oksidasi FADH2 adalah 6 proton yang dipompa dari matriks ke intermembran 6. Pompa Proton: Pompa proton terjadi selama transport elektron melalui kompleks I, kompleks III, dan kompleks IV. Proton dipompa dari matriks mitokondria ke ruang antarmembran, menciptakan gradien elektrokimia proton yang melibatkan potensial membran dan gradien pH. 7. Kemiosmosis Pemompaan proton dari matriks ke intermembran selama transport elektron akan menyebabkan perbedaan konsentrasi proton di intermembran dan matriks mitokondria. Perbedaan gradien konsentrasi ini menyebabkan peristiwa kemiosmosis untuk menghasilkan ATP. Jika oksidasi NADH di peristiwa transport elektron menyebabkan 10 proton di pompa ke inter membran, maka saat kemiosmosis 10 proton akan masuk kembali ke matriks mitokondria, melalui ATP sintase. Sedangkan, jika oksidasi FADH2 selama transport elektron memompa proton sejumlah 6, maka saat kemiosmosis 6 elektron akan masuk melalui ATP sintase ke matriks mitokondria.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Proton yang masuk melalui ATP sintase, akan memberikan energi. Sehingga terjadi pengikatan ADP dengan pospat inorganik (PI) di matriks mitokondria, menjadi ATP sebagai molekul yang berenergi tinggi bagi sel. Terdapat ketentuan untuk membentuk 1 molekul ATP dibutuhkan 4 proton (4H+) melintasi ATP sintase. Sehingga jika 10 proton dipompa saat oksidasi 1 NADH, maka akan menghasilkan 2,5 ATP saat kemiosmosis. Intinya, setiap 1 NADH yang dihasilkan selama proses respirasi seluler (fosforilasi oksidartif) setara dengan 2,5 ATP. Untuk FADH2, oksidasi FADH2 ini memompa proton sejumlah 6 (6H+), maka jumlah ATP yang terbentuk saat kemiosmosis sebanyak 1,5 ATP. Jadi, 1 FADH2, setara dengan 1,5 ATP. Total keseluruhan NADH dan FADH dari proses sebelumnya. Glikolisis Dekarboksilasi Oksidatif Siklus Krebs Total NADH 2 2 6 10 x 2,5 = 25 FADH2 - - 2 2 x 1,5 = 3 Jadi, total keseluruhan ATP yang dihasilkan dari oksidasi NADH dan FADH2 sejumlah 28 ATP. Tapi harus di ingat, 2 ATP dari glikolisis dan 2 ATP dari siklus krebs, maka total ATP yang dihasilkan dari proses aerob sebanyak 32 ATP.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Faktor-faktor yang mempengaruhi fosforilasi oksidatif. Berikut adalah beberapa faktor yang mempengaruhi fosforilasi oksidatif: 1. Kadar Oksigen: Fosforilasi oksidatif memerlukan oksigen sebagai akseptor akhir elektron dalam rantai transport elektron. Kadar oksigen yang rendah atau hipoksia dapat menghambat fosforilasi oksidatif, mengurangi produksi ATP. 2. Gradien Proton: Fosforilasi oksidatif tergantung pada gradien elektrokimia proton yang dihasilkan oleh rantai transport elektron. Jika terdapat gangguan dalam transport elektron atau pompa proton, gradien proton dapat terganggu, mengurangi produksi ATP. 3. Kondisi pH: pH matriks mitokondria dapat mempengaruhi fosforilasi oksidatif. Kondisi pH yang optimal diperlukan untuk aktivitas enzim dalam rantai transport elektron dan ATP synthase. 4. Kondisi Redoks: Kondisi redoks dalam mitokondria, khususnya konsentrasi NADH/NAD+ dan FADH2/FAD+, dapat mempengaruhi fosforilasi oksidatif. Tingkat oksidasi dan reduksi molekul-molekul ini akan mempengaruhi laju transfer elektron dan produksi ATP. 5. Kerusakan Mitokondria: Kerusakan mitokondria yang disebabkan oleh stres oksidatif, mutasi genetik, atau gangguan dalam regulasi mitokondria dapat mempengaruhi fosforilasi oksidatif. Ini dapat mengurangi kapasitas mitokondria untuk menghasilkan ATP secara efisien. Faktor-faktor ini dapat berinteraksi dan saling mempengaruhi dalam mengatur fosforilasi oksidatif. Perubahan dalam satu atau beberapa faktor ini dapat menyebabkan gangguan dalam produksi ATP dan berdampak pada fungsi seluler secara keseluruhan.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Peran fosforilasi oksidatif bagi tubuh Fosforilasi oksidatif memainkan peran penting dalam menjaga fungsi normal dan vital tubuh. Berikut adalah beberapa peran penting fosforilasi oksidatif bagi tubuh: 1. Produksi Energi Seluler: Fosforilasi oksidatif adalah proses utama dalam produksi energi seluler. Melalui transfer elektron dan sintesis ATP, fosforilasi oksidatif menghasilkan ATP sebagai sumber utama energi kimia dalam sel. ATP digunakan dalam berbagai proses metabolik dan biokimia tubuh, seperti kontraksi otot, sintesis protein, transport aktif, dan fungsi sistem saraf. 2. Metabolisme Karbohidrat, Lemak, dan Protein: Fosforilasi oksidatif berperan dalam metabolisme karbohidrat, lemak, dan protein. Karbohidrat diubah menjadi glukosa, yang kemudian dioksidasi melalui proses glikolisis dan siklus asam sitrat di mitokondria untuk menghasilkan NADH dan FADH2 sebagai donor elektron dalam rantai transport elektron. Lemak dipecah menjadi asam lemak dan dioksidasi melalui beta-oksidasi untuk menghasilkan NADH dan FADH2. Protein juga dapat diubah menjadi asam amino yang memasuki jalur metabolisme dan menghasilkan produk intermediat seperti NADH dan FADH2 untuk fosforilasi oksidatif. 3. Sistem Kekebalan Tubuh: Fosforilasi oksidatif juga berkontribusi terhadap fungsi sistem kekebalan tubuh. Sel-sel imun, seperti limfosit dan makrofag, membutuhkan energi yang cukup untuk melaksanakan fungsi mereka dalam merespons infeksi dan peradangan. Fosforilasi oksidatif menyediakan ATP yang diperlukan oleh sel-sel imun untuk proliferasi, diferensiasi, dan fungsi efektor mereka. Fosforilasi oksidatif adalah proses yang esensial bagi tubuh manusia untuk menjaga kesehatan dan fungsi normal. Ini adalah mekanisme penting dalam produksi energi seluler, metabolisme substrat, homeostasis seluler, sistem kekebalan tubuh, detoksifikasi, dan terkait dengan penuaan dan penyakit terkait usia.
BIOKIMIA IPA1 ‘22 Daftar Pustaka Kuchel, Philip. W., and Gregory. B. Ralston. Schaum’s: Biokimia. Second edition, Jakarta: Erlangga, 2006. Marks, Dawn. B., et al. Biokimia Kedoketran Dasar. Jakarta: Egc, 2000. PREPARED FOR biochemistry course PREPARED BY Ika Wahyu Rohmawati Emilia Kinasfi