Apa yang terjadi pada tahap transpor elektron?

Fosforilasi oksidatif yaitu suatu lintasan metabolisme dengan penggunaan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan ATP, dan mereduksi gas oksigen menjadi air.[1]

Walaupun banyak wujud kehidupan di bumi memakai berbagai jenis nutrien, nyaris seluruh organisme menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP, oleh karena efisiensi babak memperoleh energi, dibandingkan dengan babak fermentasi alternatif pautannya seperti glikolisis anaerobik.

Menurut teori kemiosmotik yang dicetuskan oleh Peter Mitchell, energi yang dilepaskan dari reaksi oksidasi pada substrat pendonor elektron, patut pada respirasi aerobik maupun anaerobik, perlahan akan disimpan dalam wujud potensial elektrokemis sepanjang garis tepi membran tempat terjadinya reaksi tersebut, yang kemudian dapat dipergunakan oleh ATP sintase untuk menginduksi reaksi fosforilasi terhadap molekul adenosina difosfat dengan molekul Pi.[2]

Elektron yang melekat pada molekul sisi dalam kompleks IV rantai transpor elektron akan dipergunakan oleh kompleks V untuk menarik ion H+ dari sitoplasma menuju membran mitokondria sisi luar, disebut kopling kemiosmotik,[3] yang menyebabkan kemiosmosis, yaitu difusi ion H+ melewati ATP sintase ke dalam mitokondria yang berlawanan dengan arah gradien pH, dari area dengan energi potensial elektrokimiawi lebih rendah menuju matriks dengan energi potensial lebih tinggi. Babak kopling kemiosmotik juga berpengaruh pada kombinasi gradien pH dan potensial listrik di sepanjang membran yang disebut gaya gerak proton.

Dari teori ini, semuanya reaksi kemudian disebut fosforilasi oksidatif.

Awal lintasan dimulai dari elektron yang dihasilkan oleh siklus asam sitrat yang ditransfer ke senyawa:

• NAD+ yang telah tersedia di dalam matriks mitokondria. Sesudah menerima elektron, NAD+ akan bereaksi menjadi NADH dan ion H+, kemudian mendonorkan elektronnya ke rantai transpor elektron kompleks I.[4]
• dan FAD yang telah tersedia di dalam rantai transpor elektron kompleks II.[5] FAD akan menerima dua elektron, kemudian bereaksi menjadi FADH2 melewati reaksi redoks.

Walaupun fosforilasi oksidatif yaitu ronde vital metabolisme, dia menghasilkan spesi oksigen reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida pada kompleks I.[6] Hal ini dapat mengakibatkan pembentukan radikal lepas, merusak sel tubuh, dan probabilitas juga menyebabkan penuaan. Enzim-enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga merupakan target dari banyak obat dan racun yang dapat menghambat kegiatan enzim.

Tinjauan transfer energi melewati kemiosmosis

Informasi lebih lanjut: [[Kemiosmosis dan Bioenergetika]]

Fosforilasi oksidatif memainkan pekerjaan dengan kegiatan yang dipekerjakan memakai reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk mendorong reaksi yang membutuhkan energi. Kedua set reaksi ini dituturkan bergandengan. Hal ini berfaedah bahwa aib satu reaksi tak dapat berlaku tanpa reaksi pautannya. Alur elektron melewati rantai transpor elektron yaitu babak eksergonik, yakni melepaskan energi, manakala sintesis ATP yaitu babak endergonik, yakni membutuhkan energi. Patut rantai transpor elektron dan ATP sintase telah tersedia pada membran, dan energi ditransfer dari rantai transpor elektron ke ATP sintase melewati pergerakan proton melewati membran ini. Babak ini disebut sebagai kemiosmosis.[7] Dalam prakteknya, ini mirip dengan sebuah sirkuit listrik, dengan arus proton ditampik dari sisi negatif membran ke sisi positif oleh enzim pemompa proton yang telah tersedia pada rantai transpor elektron. Enzim ini seperti baterai. Pergerakan proton membuat gradien elektrokimiawi di sepanjang membran, yang sering disebut gaya gerak proton. Gradien ini mempunyai dua komponen:[8] perbedaan pada konsentrasi proton (gradien pH) dan perbedaan pada potensi listrik. Energi tersimpan dalam wujud perbedaan potensi listrik dalam mitokondria, dan juga sebagai gradien pH dalam kloroplas.[9]

ATP sintase juga dapat memompa ion H+ keluar dari dalam matriks, apabila terjadi hidrolisis ATP pada kutub kompleksnya.[10] Pada kasus hipertiroidisme pada hepatosit model tikus, juga ditemukan pemompaan ion H+ dari dalam matriks di luar mekanisme rantai transpor elektron,[11] hal ini ditengarai terjadi oleh sebab peran hormon T3[12] yang dapat menyisip pada membran mitokondria sebelah dalam sebagai pompa ion.[13]

Enzim ini seperti motor listrik, yang memakai gaya gerak proton untuk mendorong rotasi strukturnya dan memakai pergerakan ini untuk mensintesis ATP.

Energi yang dilepaskan oleh fosforilasi oksidatif ini cukup tinggi dibandingkan dengan energi yang dilepaskan oleh fermentasi anaerobik. Glikolisis hanya menghasilkan 2 molekul ATP, sedangkan pada fosforilasi oksidatif 10 molekul NADH dengan 2 molekul suksinat yang diproduksi dari konversi satu molekul glukosa menjadi karbon dioksida dan air, dihasilkan 30 sampai dengan 36 molekul ATP.[14] Rendemen ATP ini sebenarnya merupakan nilai teoritis maksimum; pada prakteknya, ATP yang dihasilkan lebih rendah dari nilai tersebut.[15]

Molekul pemindah elektron dan proton

Informasi lebih lanjut: [[Koenzim dan Kofaktor]]

Reduksi koenzim Q dari wujud ubikuinon (Q) menjadi ubikuinol yang tereduksi (QH2).

Rantai transpor elektron membawa patut proton maupun elektron, mengangkut proton dari donor ke akseptor, dan mengangkut proton melawati membran. Babak ini memakai molekul yang larut dan terikat pada molekul transfer. Pada mitokondria, elektron ditransfer dalam ruang antarmembran memakai protein transfer elektron sitokrom c yang larut dalam air.[16] Dia hanya mengangkut elektron, dan elektron ini ditransfer memakai reduksi dan oksidasi atom besi yang terikat pada protein pada gugus heme strukturnya. Sitokrom c juga ditemukan pada beberapa bakteri, di mana dia bertempat di dalam ruang periplasma.[17]

Dalam membran dalam mitokondria, koenzim Q10 pembawa elektron yang larut dalam lipid membawa patut elektron maupun proton memakai siklus redoks.[18] Molekul benzokuinon yang kecil ini sangat hidrofobik, sehingga dia akan berdifusi dengan lepas ke dalam membran. Ketika Q menerima dua elektron dan dua proton, dia menjadi wujud tereduksi ubikuinol (QH2); ketika QH2 melepaskan dua elektron dan dua proton, dia teroksidasi kembali menjadi wujud ubikuinon (Q). Akibatnya, jika dua enzim disusun sedemikiannya Q direduksi pada satu sisi membran dan QH2 dioksidasi pada sisi pautannya, ubikuinon akan menggandengkan reaksi ini dan mengulang alik proton melewati membran.[19] Beberapa rantai transpor elektron bakteri memakai kuinon yang berlainan, seperti menakuinon, selain ubikuinon.[20]

Dalam protein, elektron ditransfer antar kofaktor flavin,[21][10] gugus besi-sulfur, dan sitokrom. Telah tersedia beberapa jenis gugus besi-sulfur. Jenis sangat sederhana yang ditemukan pada rantai transfer elektron terdiri dari dua atom besi yang dihubungkan oleh dua atom sulfur; ini disebut sebagai gugus [2Fe2S]. Jenis kedua, disebut [4Fe4S], mengandung sebua kubus empat atom besi dan empat atom sulfur. Tiap-tiap atom pada gugus ini berkoordinasi dengan asam amino, biasanya koordinasi antara atom sulfur dengan sisteina. Kofaktor ion logam menjalani reaksi redoks tanpa mengikat ataupun melepaskan proton, sehingga pada rantai transpor elektron dia hanya berfungsi sebagai pengangkut elektron. Elektron memainkan usaha cukup jauh melewati protein-protein ini dengan kegiatan yang dipekerjakan meloncat disekitar rantai kofaktor ini.[22] Hal ini terjadi melewati penerowongan kuantum, yang terjadi dengan cepat pada jarak yang lebih kecil daripada 1,4×109 m.[23]

Rantai transpor elektron eukariotik

Banyak babak katabolik biokimia, seperti glikolisis, siklus asam sitrat, dan oksidasi beta, menghasilkan koenzim NADH. Koenzim ini mengandung elektron yang mempunyai potensial transfer yang tinggi. Dengan kata pautan, dia akan melepaskan energi yang sangat besar semasa oksidasi. Namun, sel tak akan melepaskan seluruh energi ini secara bersamaan karena akan menjadi reaksi yang tak terkontrol. Sebaliknya, elektron dilepaskan dari NADH dan dialihkan ke oksigen melewati serangkaian enzim yang akan melepaskan sebanyak kecil energi pada tiap-tiap enzim tersebut. Rangkaian enzim yang terdiri dari kompleks I sampai dengan kompleks IV ini disebut sebagai rantai transpor elektron dan ditemukan dalam membran dalam mitokondria. Suksinat juga dioksidasi oleh rantai transpor elektron, namun dia terlibat dalam lintasan yang berlainan.

Pada eukariota, enzim-enzim pada sistem transpor ini memakai energi yang dilepaskan dari oksidasi NADH untuk memompa proton melewati membran dalam mitokondria. Hal ini menyebabkan proton terakumulasi pada ruang antarmembran dan menghasilkan gradien elektrokimia di sepanjang membran. Energi yang tersimpan sebagai energi potensial ini kemudian dipergunakan oleh ATP sintase untuk menghasilkan ATP. Mitokondria telah tersedia pada nyaris seluruh eukariota, dengan pengecualian pada protozoa anaerobik seperti Trichomonas vaginalis yang mereduksi proton menjadi hidrogen memakai hidrogenosom.[24]

(Volt)

Pada landasannya, telah tersedia dua mekanisme katalitik yang dilakukan tiap kompleks enzim supaya transfer elektron dapat membuat potensial membran, yaitu mekanisme iterasi redoks dan mekanisme pemompaan ion H+.[2] Pada mekanisme iterasi redoks sendiri, reaksi reduksi akan mengikat ion H+, sedangkan reaksi oksidasi akan melepaskannya. Pada respirasi anaerobik, mekanisme yang sederhana ditunjukkan oleh format dehidrogenase dan nitrat reduktase yang terikat pada membran sel. Pada respirasi aerobik, mekanisme yang terjadi yaitu sebagai berikut,

Kompleks I

Kompleks I atau NADH-Q oksidoreduktase. Matriks telah tersedia pada ronde bawah, sedangkan ruang antar membran telah tersedia di ronde atas.

Kompleks I merupakan protein pertama pada rantai transpor elektron,[26] berupa kompleks enzim yang disebut NADH-koenzim Q oksidoreduktase.

Pada hepatosit binatang sapi, kompleks I yaitu enzim raksasa dengan 46 sub-unit dan massa molekul sekitar 1.000 kilodalton (kDa).[27] Hanya struktur enzim kompleks I dari bakteri yang dikenal secara mendetail;[28] pada kebanyakan organisme, kompleks ini mirip sepatu but dengan "bola" yang besar menyeruak keluar dari membran ke dalam mitokondria.[29][30] Gen yang mengkode protein ini telah tersedia pada patut inti sel maupun genom mitokondria.

Reaksi redoks yang dikatalisis oleh enzim ini yaitu oksidasi NADH, dan reduksi koenzim Q10 (diwakilkan dengan Q):

Oksidasi NADH akan menghasilkan NAD+ yang diperlukan untuk siklus asam sitrat dan oksidasi asam lemak,

Reaksi oksidasi NADH di atas dikopling oleh reaksi deiodinasi hormon tiroksin dengan promoter berupa peroksidase dan H2O2,[31] sedangkan reduksi Q akan mentranspor elektron ke kompleks berikutnya sampai pada kesudahannya dipergunakan untuk mereduksi oksigen menjadi air.[32]

Awal mula reaksi terjadi ketika NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron. Elektron tersebut kemudian memasuki kompleks I via FMN, suatu gugus prostetik yang melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya menjadi wujud tereduksi, FMNH2. Elektron kemudian ditransfer melewati rangkaian gugus besi-sulfur.[28] Kemudian elektron ditransfer ke Q, mengubahnya menjadi QH2, dan menyebabkan 4 ion H+ terpompa keluar,[33] menuju ke dalam sitoplasma, bukan ke dalam ruang antarmembran, oleh karena kompleks I terikat oleh 3 lapisan membran mitokondria.[34] Pada sel prokariota Escherichia coli dan Klebsiella pneumoniae, kompleks I tak meletupkan ion H+, melainkan ion Na+.[35]

Telah tersedia patut jenis gugus besi-sulfur [2Fe-2S] maupun [4Fe4S] dalam kompleks I.

Kopling yang terjadi dengan siklus asam sitrat,

Kompleks II

Kompleks II: Suksinat-Q oksidoreduktase.

Kompleks II merupakan kompleks enzim yang disebut suksinat kuinon oksidoreduktase (EC 1.3.5.1) yaitu titik masuk kedua pada rantai transpor elektron,[36] yang terdiri dari kompleks enzim suksinat dehidrogenase aerobik[37] dan fumarat reduktase anaerobik.[37][38][39]

Kompleks II yaitu satu-satunya kompleks enzim yang merupakan ronde dari kedua lintasan metabolisme, siklus asam sitrat maupun respirasi selular pada rantai transpor elektron, dan terdiri dari empat subunit protein dan mengantung sebuah kofaktor flavin adenina dinukleotida yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan sebuah gugus heme yang tak berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q, namun dipercayai penting dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif.[40][41] Enzim ini mereduksi fumarat menjadi suksinat dan meoksidasi hidrokuinon. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tak mentranspor proton melewati membran dan tak berkontribusi terhadap gradien proton.

Reaksi redoks pada modus anaerobik oleh fumarat reduktase:

oksidasi

reduksi

Kopling yang terjadi dengan siklus asam sitrat,

Pada beberapa eukariota seperti cacing parasit Ascaris suum, telah tersedia enzim yang mirip dengan kompleks II, yaitu fumarat reduktase (menakuinol:fumarat oksidoreduktase, atau QFR). Kerja enzim ini terbalik dengan kerja kompleks II, yaitu mengoksidasi ubikuinol dan mereduksi fumarat. Hal ini mengijinkan cacing ini bertahan hidup dalam ronde yang terkait anaerobik di usus besar dan menjalankan fosforilasi oksidatif anaerobik dengan fumarat sebagai akseptor elektron.[42] Fungsi tak lazim kompleks II pautannya dapat diamati pada parasit malaria Plasmodium falciparum. Pada organisme ini, fungsi kompleks II yang terbalik sebagai oksidase memerankan penting dalam pemulihan ubikuinol, yang oleh parasit dipergunakan untuk biosintesis pirimidina.[43]

Flavoprotein transfer elektron-Q oksidoreduktase

Pada kompleks II telah tersedia kompleks enzim ETF-QO dengan tiga domain pencerap, masing-masing mengikat FAD, kluster [4Fe-4S]1+, 2+ dan ubikuinon.[44]

ETF-QO mempercepat reaksi redoks:

• reduksi senyawa Q-1 dengan elektron dari senyawa flavoprotein ET yang dapat berasal dari 11 jenis flavoprotein dehidrogenase yang telah tersedia di dalam matriks mitokondria,[45] Pada lintasan alternatif, elektron dapat mengalir dari kluster 4Fe4S dan dikatalitik oleh ETF-QO untuk mereduksi ubikuinon menjadi ubikuinol dengan koenzim FAD.[44] Lintasan reaksi yang terjadi:

reduksi

oksidasi kofaktor

Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dan enzim yang memerankan yaitu asil-KoA dehidrogenase.[48][49]

Reaksi yang terjadi:

oksidasi

reduksi kofaktor

Pada tumbuhan, ETF-QO juga penting dalam respon metabolik demi kelangsungan hidup tumbuhan pada periode ronde yang terkait gelap yang berkepanjangan yang tak memungkinkan terjadinya fotosintesis, sehingga terjadi simtoma hipoglisemia.

Kompleks III

Dua langkah transfer elektron pada kompleks II:Q-sitokrom c oksidoreduktase. Pada kesudahan tiap langkah, Q (berada pada ronde atas gambar) meninggalkan enzim.

Kompleks III juga dikenal sebagai kompleks enzim UCCR yang mempunyai 11 berkas genetik UQCR.[50][51] Pada mamalia, enzim ini berupa dimer, dengan tiap kompleks subunit mengandung 11 subunit protein, satu gugus besi-sulfur [2Fe-2S], dan tiga sitokrom yang terdiri dari satu sitokrom c1 dan dua sitokrom b.[52] Sitokrom yaitu sejenis protein pentransfer elektron yang mengandung sangat tak satu gugus heme. Atom besi dalam gugus heme kompleks III berganti dari wujud tereduksi Fe (+2) menjadi wujud teroksidasi Fe (+3) secara bergantian sewaktu elektron ditransfer melewati protein ini.

Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III yaitu oksidasi satu molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tak seperti koenzim Q yang membawa dua elektron, sitokrom c hanya membawa satu elektron.

Oleh karena hanya satu elektron yang dapat ditransfer dari donor QH2 ke akseptor sitokrom c, mekanisme reaksi kompleks III lebih melilit-lilit daripada kompleks pautannya, dan terjadi dalam dua langkah yang disebut siklus Q.[53] Pada langkah pertama, enzim mengikat tiga substrat, pertama, QH2 yang akan dioksidasi kemudian dengan satu elektron dialihkan ke sitokrom c yang merupakan substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan dari QH2 dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat ketiga yaitu Q, yang menerima dua elektron dari QH2 dan direduksi menjadi Q.-, yang merupakan radikal lepas ubisemikuinon. Dua substrat pertama dilepaskan, namun zat antara ubisemikuinon ini tetap terikat. Pada langkah kedua, molekul kedua QH2 terikat dan kemudian melepaskan satu elektronnya ke akspetor sitokrom c. Elektron kedua dilepaskan ke ubisemikuinon yang terikat, mereduksinya menjadi QH2 ketika dia menerima dua proton dari matriks mitokondria. QH2 ini kemudian dilepaskan dari enzim.[54]

Karena koenzim Q direduksi menjadi ubikuinol pada sisi dalam membran dan teroksidasi menjadi ubikuinon pada sisi luar, terjadi transfer proton di membran, yang menambah gradien proton.[10] Mekanisme dua langkah ini sangat penting karena dia meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul QH2 yang dipergunakan untuk secara langsung mereduksi dua molekul sitokrom c, efisiensinya akan menjadi setengah, dengan hanya satu proton yang ditransfer per sitokrom c yang direduksi.[10]

Kompleks IV

Kompleks IV: sitokrom c oksidase.

Kompleks IV yaitu protein terakhir pada rantai transpor elektron yang dikenal sebagai kompleks enzim COX.[55]

Dari penelitian pada hepatosit binatang sapi, enzim ini mempunyai struktur kompleks yang mengandung 13 subunit, antara pautan 5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2 asam kolat, 2 gugus heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, mencakup tiga atom tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua lintasan peletup ion H+ ditemukan membentang dari matriks sampai sitoplasma.[56]

Pada model hepatosit binatang sapi, ion H+ dengan energi potensial elektrostatik berkisar antara 635meV,[57] tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase[58][59] fosfolipid vesikel (COV) pada kedua fase oksidatif dan reduktif,[60] sesudah dikirimkan dari proton loading site (PLS), pada masa ion H+ berikutnya tiba di PLS.[57][61] Mekanisme yang ditunjukkan oleh peletupan ion H+ pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks.[62][63][64] Peletupan ion H+ (bahasa Inggris: deprotonation) terjadi bersamaan dengan perubahan gugus karboksil asam aspartat yang telah tersedia pada permukaan intermembran menjadi aspargina. [65]

Enzim ini memediasi reaksi terakhir pada rantai transpor elektron dan mentransfer elektron ke oksigen, manakala memompa proton melewati membran. Oksigen yang menerima elektron, juga dikenal sebagai akseptor elektron terminal, direduksi menjadi air. Patut pemompaan proton secara langsung maupun makanan proton matriks pada reduksi oksigen berkontribusi kepada gradien proton. Menurut Keilin, reaksi yang dikatalisis oleh sitokrom c dan reduksi oksigennya adalah:[14]

Reduktase dan oksidase alternatif

Enzim-enzim yang diceritakan di atas merupakan hasil kajian pada binatang mamalia. Sebenarnya, banyak organisme eukariotik pautannya yang mempunyai rantai transpor elektron yang berlainan. Sebagai contoh, tumbuhan mempunyai NADH oksidase alternatif, yang mengoksidasi NADH di sitosol daripada di matriks mitokondria, dan dia akan memindahkan elektron ke kolam ubikuinon.[66] Enzim-enzim ini tak mentranspor proton, sehingga dia mereduksi ubikuinon tanpa mengubah gradien elektronkimia membran dalam.[67]

Contoh rantai transpor elektron divergen pautannya yaitu oksidase alternatif yang ditemukan pada tumbuh-tumbuhan, beberapa spesies fungi, protista, dan probabilitas pula pada beberapa binatang.[68][69] Enzim ini secara langsung mentransfer elektron dari ubikuinol ke oksigen.[70]

Lintasan tranpor elektron yang dihasilkan oleh NADH dan ubikuinon oksidase alternatif ini mempunyai rendemen ATP yang lebih rendah. Keuntungan dari lintasan yang lebih singkat ini belumlah cukup jelas. Namun, oksidasi alternatif ini dihasilkan sebagai respon terhadap berbagai tekanan seperti hawa dingin, spesi oksigen reaktif, infeksi oleh patogen, dan faktor-faktor pautannya yang menghambat rantai transpor elektron secara penuh.[71][72] Lintasan alternatif ini oleh karenanya akan meningkatkan resistansi organisme terhadap luka dengan menurunkan stres oksidatif.[73]

Pengorganisasian kompleks-kompleks

Model awal bagaimana rantai kompleks respiratori ini terorganisasikan yaitu bahwa kompleks-kompleks ini berdifusi dengan lepas dan terbebas dari membran mitokondria.[27] Namun, data-data terbaru mensugestikan bahwa kompleks-kompleks ini probabilitas membentuk struktur berorde tinggi yang disebut superkompleks ataupun "respirasom."[74] Berdasarkan model superkompleks ini, berbagai jenis kompleks ini telah tersedia dalam wujud sehimpunan enzim-enzim yang berinteraksi dan terorganisasi.[75] Asosiasi ini mengijinkan penyaluran substrat di antara berbagai kompleks enzim, sehingga meningkatkan laju dan efisiensi transfer elektron.[76] Dalam superkompleks mamalia, beberapa komponen kompleks akan lebih banyak daripada yang pautannya, dengan beberapa data mensugestikan rasio antara kompleks I/II/II/IV dan ATP sintase agak 1:1:3:7:4.[77] Walau demikian, perdebatan mengenai hipotesis superkompleks ini masihlah belum kesudahannya, karena beberapa data kelihatannya tak sesuai dengan model ini.[27][78]

Rantai transpor elektron prokariotik

Informasi lebih lanjut: Metabolisme mikroba

Berlainan dengan banyaknya kemiripan dalam struktur dan fungsi rantai transpor elektron pada eukariota, bakteri dan arkaea mempunyai banyak jenis enzim transfer elektron yang sangat bervariasi. Enzim-enzim yang bervariasi ini pula memakai senyawa kimia yang bervaruasi sebagai substrat.[79] Walau demikian, telah tersedia kesesuaian dengan rantai transpor elektron eukarita, yaitu transpor elektron prokariotik juga memakai energi yang dilepaskan dari oksidasi substrat untuk memompa ion keluar masuk membran dan menghasilkan gradien elektrokimia. Fosforilasi oksidatif bakteri, utamanya bakteri Escherichia coli sudah dipahami secara mendetail, manakala pada arkaea, hal ini sedang belum dipahami dengan patut.[80]

Perbedaan utama antara fosforilasi eukariotik dengan fosforilasi oksidatif prokariotik yaitu bahwa bakteri dan arkaea memakai banyak senyawa-senyawa yang berlainan untuk menerima dan mendonor elektron. Hal ini sebenarnya mengijinkan prokariota untuk hidup dan tumbuh dalam berbagai jenis kondisi dan ronde yang terkait.[81] Pada E. coli, sebagai contohnya, fosforilasi oksidatif dapat ditampik oleh sebanyak besar pasangan reduktor dan oksidator (lihat tabel di bawah). Potensial titik tengah suatu senyawa kimia mengukur seberapa banyak energi yang dilepaskan ketika dia dioksidasi maupun direduksi, dengan reduktor mempunyai potensial negatif dan oksidator positif.

Sebagaimana yang ditunjukkan oleh tabel di atas, E. coli dapat tumbuh dengan memakai reduktor seperti format, hidrogen, ataupun laktat sebagai donor elektron dan nitrat, DMSO, ataupun oksigen akseptor.[81] Semakin besar perbedaan potensial titik tengah antra reduktor dan oksidator, semakin banyak pula energi yang dilepaskan ketika bereaksi. Dari seluruh pasangan senyawa ini, pasangan suksinat/fumarat tak lazim karena potensial titik tengahnya mendekati nol. Suksinat oleh karenanya dapat dkoksidasi menjadi fumarat apabila telah tersedia oksidator kuat seperti oksigen dan fumarat dapat direduksi menjadi suksinat memakai reduktor kuat seperti format. Reaksi alternatif ini dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase untuk oksidasi suksinat dan fumarat reduktase untuk reduksi fumarat.[83]

Beberapa prokariota memakai pasangan redoks yang hanya mempunyai perbedaan potensial titik tengah yang kecil. Sebagai contohnya, bakteri yang melaksanakan nitrifikasi seperti Nitrobakter mengoksidasi nitrit menjadi nitrat dan mendonarkan elektron ke oksigen. Sebanyak kecil energi yang dilepaskan oleh reaksi ini cukup untuk memompa proton dan menghasilkan ATP, namun tak cukup untuk menghasilkan NADH ataupun NADPH secara langsung untuk dipergunakan dalam anabolisme.[84] Permasalahan ini diselesaikan dengan memakai nitrit oksidoreduktase untuk menghasilkan gaya gerak proton yang cukup untuk menjalankan sebagai rantai transpor elektron secara terbalik, menyebabkan kompleks I memproduksi NADH.[85][86]

Prokariota mengontrol penggunaan donor dan akseptor elektron ini dengan memproduksi enzim tertentu sesuai dengan kondisi ronde yang terkait.[87] Fleksibilitas ini dimungkinkan karena oksidase dan reduktase yang berlainan memakai kolam ubikuinon yang sama. Ini mengijinkan banyak kombinasi enzim untuk memainkan pekerjaan secara bersamaan, yang saling terhubung oleh zat antara ubikuinol.[82]

Selain beranekaragamnya lintasan metabolisme ini, prokariota juga mempunyai sebanyak besar isozim, yaitu enzim-enzim berlainan yang mengkatalisis reaksi yang sama. Sebagai contohnya, E. coli mempunyai dua jenis ubikuinol oksidase yang berlainan. Di bawah kondisi aerob, sel memakai oksidase yang berafinitas rendah terhadap oksigen yang dapat mentranspor dua proton per elektron. Namun, apabila kadar oksigen menurun, sel akan memakai oksidase yang hanya mentransfer satu proton per elektron namun berafinitas tinggi terhadap oksigen.[88]

ATP sintase (kompleks V)

Informasi lebih lanjut: ATP sintase

ATP sintase, juga disebut kompleks V, yaitu enzim terakhir dalam lintasan fosforilasi oksidatif. Enzim ini ditemukan di seluruh organisme hidup dan berfungsi sama pada prokariota maupun eukariota.[89] Enzim ini memakai energi yang tersimpan pada gradien proton di sepanjang membran untuk mendorong sintesis ATP dari ADP dan fosfat (Pi). Agak banyak proton yang diperlukan untuk mensintesis satu ATP berkisar antara tiga sampai dengan empat,[90][91] dengan beberapa peneliti yang mensugestikan bahwa sel dapat memvariasikan rasio ini sesuai dengan kondisi.[92]

Reaksi fosforilasi ini yaitu reaksi kesetimbangan, yakni dia dapat digeser dengan mengubah gaya gerak proton. Dengan ketiadaan gaya gerak proton, reaksi ATP sintase akan berlaku dari sisi kanan ke kiri, menghidrolisis ATP dan memompa proton keluar dari matriks melewati membran. Namun, ketika gaya gerak protonnya tinggi, reaks dipaksa untuk berlaku secara terbalik, yaitu dari sisi kanan ke kiri, mengijinkan proton mengalir dan mengubah ADP menjadi ATP.[89]

ATP sintase yaitu sebuah kompleks protein yang besar dengan wujud seperti jamur. Kompleks enzim ini pada mamalia mengandung 16 subunit dan mempunyai massa agak 600 kilodalton.[93] Ronde yang tertanam pada membran disebut FO dan mengandung sebuah cincin subunit c dan arus proton. "Tangkai" dan kepala yang mempunyai wujud bola disebut F1 dan merupakan tempat sintesis ATP. Kompleks yang mempunyai wujud bola pada ujung kesudahan F1 mengandung enam protein yang dapat dibagi menjadi dua jenis: tiga subunit α dan tiga subunit β), manakala ronde "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit γ, dengan ujung tangkai menusuk ke dalam bola subunit α dan β.[94] Patut subunit α dan β mengikat nukleotida, namun hanya subunit β yang mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F1 pula telah tersedia sebuah subunit mempunyai wujud batang yang menghubungakan subunit α dan β dengan landasan enzim.

Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melewati arus ini, motor FO berotasi.[95] Rotasi dapat diakibatkan oleh perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c, menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit c.[96] Cincin yang berotasi ini pada kesudahannya akan memutar "as roda" (tangkai subunit γ). Subunit α dan β dihalangi untuk berputar oleh batang samping yang berfungsi sebagai stator. Pergerakan ujung subunit γ yang telah tersedia dalam bola subunit α dan β memberikan energi supaya tapak aktif pada subunit β menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan kemudian melepaskan ATP.[9]

Mekanisme ATP sintase. ATP ditunjukkan dengan warna merah, ADP dan fosfat dalam warna merah jambu, dan subunit γ yang berputar dalam warna hitam.

Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai mekanisme perubahan ikatan (binding change mechanism) dan melibatkan tapak aktif subunit β yang berputar terus dalam tiga adanya.[97] Pada adanya "terbuka", ADP dan fosfat memasuki tapa aktif (ditunjukkan dalam warna coklat pada diagram). Protein kemudian menutup dan mengikat ADP dan fosfat secara longgar (keadaan "longgar" ditunjukkan dalam warna merah). Enzim kemudian berganti wujud lagi dan memaksa kedua molekul ini bersama, dengan tapak aktif dalam adanya "ketat" (ditunjukan dalam warna merah jambu) dan mengikat molekul ATP yang terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke adanya buka dan melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat, dan memulai siklus yang baru.

Pada beberapa bakteri dan arkaea, sintesis ATP ditampik oleh pergerakan ion natrium yang melewati membran sel daripada pergerakan proton.[98][99] Arkaea seperti Methanococcus juga mengandung A1Ao sintase, sebuah wujud enzim yang mengandung protein tambahan dengan kemiripan urutan asam amino yang kecil dengan subunit ATP sintase bakteri dan eukariota pautannya. Yaitu mungkin bahwa pada beberapa spesies, wujud enzim A1Ao yaitu ATP-sintase terspesialisasi yang digerakkan oleh natrium,[100] namun ini tidaklah benar pada semuanya kasus.[99]

Spesi oksigen reaktif

Oksigen molekuler merupakan akseptor elektron kesudahan yang ideal, karena dia merupakan oksidator kuat. Reduksi oksigen melibatkan zat antara yang berpotensi bahaya.[101] Walaupun transfer empat elektron dan empat proton akan mereduksi oksigen menjadi air, yang tak berbahaya, transfer satu atau dua elektron akan menghasilkan anion superoksida ataupun anion peroksida, yang sangat reaktif dan berbahaya.

Spesi oksigen reaktif dan produk reaksinya ini seperti radikal hidroksil, sangatlah berbahaya untuk sel, karena akan mengoksidasi protein dan mengakibatkan mutasi pada DNA. Kerusakan ini berkontribusi terhadap penyakit dan diajukan pula merupakan aib satu dampak dari penuaan.[102][103]

Kompleks sitokrom c sangat efisien mereduksi oksigen menjadi air, dan melepaskan hanya sedikit zat antara yang tereduksi secara parsial. Namun telah tersedia sebanyak kecil anion superoksida dan peroksida yang diproduksi oleh rantai transpor elektron.[104] Terutama pentingnya yaitu pada reduksi koenzime Q pada kompleks III, karena radikal lepas ubikuinon yang sangat reaktif terbentuk sebagai zat antara dalam siklus Q. Spesi yang tak stabil ini dapat menyebabkan "kebocoran" elektron ketika elektron ditransfer secara langsung ke oksigen dan menghasilkan superoksida.[105] Karena laju produksi spesi oskigen reaktif oleh kompleks pemompa proton ini paling tinggi ketika potensial membran tinggi, diajukan bahwa mitokondria meregulasi kegiatan kompleks untuk menjaga potensial membran telah tersedia dalam kisaran yang kecil sehingga menyeimbangkan produksi ATP terhadap produksi oksidator.[106] Sebagai contohnya, oksidator dapat mengaktivasi UCP (uncoupling protein) yang menurunkan potensial membran.[107]

Untuk melawan spesi oksigen reaktif ini, sel mengandung sebanyak sistem antioksidan, mencakup vitamin antioksidan seperti vitamin C dan vitamin E, dan enzim antioksidan seperti superoksida dismutase, katalase, dan peroksidase,[101] yang menetralkan spesi reaktif sehingga mengurangi kerusakan sel.

Gugus anion superoksida, senyawa organik yang sangat aktif yang telah tersedia pada molekul hidrogen peroksida dan jenis ROS pautannya, merupakan produk samping reaksi redoks yang terjadi pada rantai transpor elektron.[108] Gangguan mekanisme produksi ROS dapat mempunyai dampak pada berbagai jenis patologi seperti diabetes, neurodegenerasi, gagal jantung, chronic obstructive pulmonary disease. Domain produksi anion superoksida terletak pada kompleks I dan kompleks III.

Dari beberapa senyawa intermediat pengusung satu elektron, radikal lepas SQ- dianggap merupakan senyawa yang sangat memerankan aktif dalam mereduksi molekul oksigen menjadi anion superoksida. Molekul semikuinon dihasilkan kompleks I dan III sebagai hasil reduksi ubikuinon atau oksidasi ubikuinol,

SQ- akan melekat pada kompleks I atau III sampai masa terstimulasi elektron yang kedua dengan reaksi,

Semikuinon lebih lanjut dapat berinteraksi langsung dengan molekul oksigen dengan reaksi,

Inhibitor

Telah tersedia beberapa obat dan racun yang dikenal patut menginhibisi fosforilasi oksidatif. Walaupun seluruh racun hanya menginhibisi satu enzim pada rantai transpor elektron, inhibisi pada langkah apapun pada babak ini akan menghentikan semuanya babak. Contohnya, jika oligomisin menginhibisi ATP sintase, proton tak dapat mengalir balik ke dalam mitokondria.[109] Akibatnya, pompa proton tak dapat memainkan pekerjaan, karena gradien konsentrasinya menjadi terlalu kuat untuk diatasi. NADH kemudian tak akan lagi teroksidasi dan siklus asam sitrat beristirahat memainkan pekerjaan karena konsentrasi NAD+ menurun di bahwa kadar yang cukup supaya enzim memainkan pekerjaan.

Tak seluruh inhibitor fosforilasi oksidatif bersifat racun. Pada jaringan lemak coklat, arus proton yang diregulasi disebut UCP (uncoupling protein), yang dapat mengawagandengkan respirasi dari sintesis ATP.[114] Respirasi cepat ini menghasilkan panas, dan babak ini sangat penting dalam menjaga suhu tubuh pada binatang yang berhibernasi, walaupun protein ini probabilitas juga mempunyai fungsi umum dalam respon sel terhadap stres.[115]

Pustaka

Bacaan lebih lanjut

Pengenalan

• Nelson DL; Cox MM (2004). Lehninger Principles of Biochemistry (ed. 4th). W. H. Freeman. ISBN0-716-74339-6.
• Schneider ED; Sagan D (2006). Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics and Life (ed. 1st). University of Chicago Press. ISBN0-226-73937-6.
• Lane N (2006). Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life (ed. 1st). Oxford University Press, USA. ISBN0199205647.

Lanjutan

• Nicholls DG; Ferguson SJ (2002). Bioenergetics 3 (ed. 1st). Academic Press. ISBN0-125-18121-3.
• Haynie D (2001). Biological Thermodynamics (ed. 1st). Cambridge University Press. ISBN0-521-79549-4.
• Rajan SS (2003). Introduction to Bioenergetics (ed. 1st). Anmol. ISBN8-126-11364-2.
• Wikstrom M (Ed) (2005). Biophysical and Structural Aspects of Bioenergetics (ed. 1st). Royal Society of Chemistry. ISBN0-854-04346-2.

Pranala luar

Informasi umum

Informasi struktural

• Animations of the ATP synthase Hongyun Wang and George Oster, University of California, Berkeley
• PDB molecule of the month:
• Interactive molecular models at Universidade Fernando Pessoa: