Fosforilasi oksidatifDari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Rantai transpor elektron dalam mitokondria merupakan tempat terjadinya fosforilasi oksidatif pada eukariota. NADH dan

suksinat yang dihasilkan padasiklus asam sitrat dioksidasi, melepaskan energi untuk digunakan oleh ATP sintase.

Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolismedengan penggunaan energi yang dilepaskan

oleh oksidasi nutrien  untuk menghasilkan ATP, dan mereduksi gasoksigen menjadi air.[1]

Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir

semua organisme menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP, oleh karena efisiensi proses

mendapatkan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti glikolisisanaerobik.

Menurut teori kemiosmotik yang dicetuskan oleh Peter Mitchell, energi yang dilepaskan

dari reaksi oksidasi padasubstrat pendonor elektron, baik pada respirasi aerobik maupun anaerobik,

perlahan akan disimpan dalam bentukpotensial elektrokemis sepanjang garis tepi membran tempat

terjadinya reaksi tersebut, yang kemudian dapat digunakan oleh ATP sintase untuk menginduksi

reaksi fosforilasiterhadap molekul adenosina difosfat dengan molekul Pi.[2]

Elektron yang melekat pada molekul sisi dalam kompleks IV rantai transpor elektron akan digunakan 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 +  melalui 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. Proses kopling kemiosmotik juga

berpengaruh pada kombinasi gradien pH dan potensial listrik di sepanjang membran yang disebut gaya

gerak proton.

Dari teori ini, keseluruhan reaksi kemudian disebut fosforilasi oksidatif.

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

NAD +  yang berada di dalam matriks mitokondria. Setelah menerima elektron, NAD+ akan bereaksi

menjadi NADH dan ion H+, kemudian mendonorkan elektronnya ke rantai transpor elektron kompleks I.

[4]

dan FAD yang berada di dalam rantai transpor elektron kompleks II.[5] FAD akan menerima dua

elektron, kemudian bereaksi menjadi FADH2 melalui reaksi redoks.

Walaupun fosforilasi oksidatif adalah bagian vital metabolisme, ia menghasilkan spesi oksigen

reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida pada kompleks I.[6] Hal ini dapat mengakibatkan

pembentukan radikal bebas, merusak sel tubuh, dan kemungkinan juga menyebabkan penuaan. Enzim-

enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga merupakan target dari banyak obat dan racunyang

dapat menghambat aktivitas enzim.

Daftar isi

  [sembunyikan] 

1 Tinjauan transfer energi melalui kemiosmosis

2 Molekul pemindah elektron dan proton

3 Rantai transpor elektron eukariotik

o 3.1 Kompleks I

o 3.2 Kompleks II

3.2.1 Flavoprotein transfer elektron-Q oksidoreduktase

o 3.3 Kompleks III

o 3.4 Kompleks IV

o 3.5 Reduktase dan oksidase alternatif

o 3.6 Pengorganisasian kompleks-kompleks

4 Rantai transpor elektron prokariotik

5 ATP sintase (kompleks V)

6 Spesi oksigen reaktif

7 Inhibitor

8 Referensi

9 Bacaan lebih lanjut

10 Pranala luar

Tinjauan transfer energi melalui kemiosmosis[sunting]

Informasi lebih lanjut: [[Kemiosmosis dan Bioenergetika]]

Fosforilasi oksidatif bekerja dengan cara menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk

mendorong reaksi yang memerlukan energi. Kedua set reaksi ini dikatakan bergandengan. Hal ini berarti

bahwa salah satu reaksi tidak dapat berjalan tanpa reaksi lainnya. Alur elektron melalui rantai transpor

elektron adalah proses eksergonik, yakni melepaskan energi, manakala sintesis ATP adalah

proses endergonik, yakni memerlukan energi. Baik rantai transpor elektron dan ATP sintase terdapat pada

membran, dan energi ditransfer dari rantai transpor elektron ke ATP sintase melalui pergerakan proton

melewati membran ini. Proses ini disebut sebagai kemiosmosis.[7] Dalam prakteknya, ini mirip dengan

sebuah sirkuit listrik, dengan arus proton didorong dari sisi negatif membran ke sisi positif oleh enzim

pemompa proton yang ada pada rantai transpor elektron. Enzim ini seperti baterai. Pergerakan proton

menciptakan 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 bentuk 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 menggunakan gaya gerak proton untuk mendorong rotasi strukturnya

dan menggunakan 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 dibentuk 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[sunting]

Informasi lebih lanjut: [[Koenzim dan Kofaktor]]

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

Rantai transpor elektron membawa baik proton maupun elektron, mengangkut proton dari donor ke

akseptor, dan mengangkut proton melawati membran. Proses ini menggunakan molekul yang larut dan

terikat pada molekul transfer. Pada mitokondria, elektron ditransfer dalam ruang antarmembran

menggunakan protein transfer elektronsitokrom c yang larut dalam air.[16] Ia hanya mengangkut elektron,

dan elektron ini ditransfer menggunakan reduksi dan oksidasi atom besi yang terikat pada protein pada

gugus heme strukturnya. Sitokrom c juga ditemukan pada beberapa bakteri, di mana ia berlokasi di

dalam ruang periplasma.[17]

Dalam membran dalam mitokondria, koenzim Q10 pembawa elektron yang larut dalamlipid membawa baik

elektron maupun proton menggunakan siklus redoks.[18] Molekulbenzokuinon yang kecil ini

sangat hidrofobik, sehingga ia akan berdifusi dengan bebas ke dalam membran. Ketika Q menerima dua

elektron dan dua proton, ia menjadi bentuk tereduksi ubikuinol (QH2); ketika QH2 melepaskan dua elektron

dan dua proton, ia teroksidasi kembali menjadi bentuk ubikuinon (Q). Akibatnya, jika dua enzim disusun

sedemikiannya Q direduksi pada satu sisi membran dan QH2 dioksidasi pada sisi lainnya, ubikuinon akan

menggandengkan reaksi ini dan mengulang alik proton melewati membran.[19] Beberapa rantai transpor

elektron bakteri menggunakan kuinon yang berbeda, seperti menakuinon, selain ubikuinon.[20]

Dalam protein, elektron ditransfer antar kofaktor flavin,[21][10] gugus besi-sulfur, dan sitokrom. Terdapat

beberapa jenis gugus besi-sulfur. Jenis paling sederhana yang ditemukan pada rantai transfer elektron

terdiri dari dua atom besi yang dihubungkan oleh dua atomsulfur; ini disebut sebagai gugus [2Fe–2S].

Jenis kedua, disebut [4Fe–4S], 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 ia hanya berfungsi sebagai pengangkut elektron. Elektron bergerak

cukup jauh melalui protein-protein ini dengan cara meloncat disekitar rantai kofaktor ini.[22] Hal ini terjadi

melalui penerowongan kuantum, yang terjadi dengan cepat pada jarak yang lebih kecil daripada

1,4×10−9 m.[23]

Rantai transpor elektron eukariotik[sunting]

Informasi lebih lanjut: [[Rantai transpor elektron dan Kemiosmosis]]

Banyak proses katabolik biokimia, seperti glikolisis, siklus asam sitrat, dan oksidasi beta,

menghasilkan koenzim NADH. Koenzim ini mengandung elektron yang memiliki potensial transfer yang

tinggi. Dengan kata lain, ia akan melepaskan energi yang sangat besar semasa oksidasi. Namun, sel tidak

akan melepaskan semua energi ini secara bersamaan karena akan menjadi reaksi yang tidak terkontrol.

Sebaliknya, elektron dilepaskan dari NADH dan dipindahkan ke oksigen melalui serangkaian enzim yang

akan melepaskan sejumlah 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 ia terlibat

dalam lintasan yang berbeda.

Pada eukariota, enzim-enzim pada sistem transpor ini menggunakan energi yang dilepaskan dari oksidasi

NADH untuk memompa proton melewati membran dalam mitokondria. Hal ini menyebabkan proton

terakumulasi pada ruang antarmembran dan menghasilkangradien elektrokimia di sepanjang membran.

Energi yang tersimpan sebagai energi potensial ini kemudian digunakan oleh ATP sintase untuk

menghasilkan ATP. Mitokondria terdapat pada hampir semua eukariota, dengan pengecualian pada

protozoa anaerobik sepertiTrichomonas vaginalis yang mereduksi proton menjadi hidrogen

menggunakan hidrogenosom.[24]

Enzim pernafasen dan substrat yang umum pada eukariota.

Sistem pernafasen Pasangan redoks Potensial tengah 

(Volt)

 NADH dehidrogenase NAD +  / NADH −0.32[25]

 Suksinat dehidrogenase FMN atau FAD / FMNH2 atau FADH2 −0.20[25]

 Kompleks sitokrom bc1 Koenzime Q10ox / Koenzime Q10red +0.06[25]

 Kompleks sitokrom bc1 Sitokrom box / Sitokrom bred +0.12[25]

 Kompleks IV Sitokrom cox / Sitokrom cred +0.22[25]

 Kompleks IV Sitokrom aox / Sitokrom ared +0.29[25]

 Kompleks IV O2 / HO- +0.82[25]

Kondisi: pH = 7[25]

Pada dasarnya, terdapat dua mekanisme katalitik yang dilakukan tiap kompleks enzim agar transfer

elektron dapat menciptakan 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 adalah sebagai berikut,

Kompleks I[sunting]

Kompleks I atau NADH-Q oksidoreduktase. Matriks berada pada bagian bawah, sedangkan ruang antar membran

berada di bagian atas.

Kompleks I merupakan protein pertama pada rantai transpor elektron,[26] berupa kompleks enzim yang

disebut NADH-koenzim Q oksidoreduktase.

Pada hepatosit hewan sapi, kompleks I adalah enzim raksasa dengan 46 sub-unit dan massa molekul

sekitar 1.000 kilodalton (kDa).[27]Hanya struktur enzim kompleks I dari bakteri yang diketahui secara

mendetail;[28] pada kebanyakan organisme, kompleks ini menyerupai sepatu but dengan "bola" yang besar

menyeruak keluar dari membran ke dalam mitokondria.[29][30] Gen yang mengkode protein ini terdapat pada

baik inti sel maupun genom mitokondria.

Reaksi redoks yang dikatalisis oleh enzim ini adalah 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 hingga pada akhirnya digunakan untuk mereduksi oksigenmenjadi 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 bentuk tereduksi,

FMNH2. Elektron kemudian ditransfer melalui 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 danKlebsiella

pneumoniae, kompleks I tidak meletupkan ion H+, melainkan ion Na + .[35]

Terdapat baik jenis gugus besi-sulfur [2Fe-2S] maupun [4Fe–4S] dalam kompleks I.

Kopling yang terjadi dengan siklus asam sitrat,

Kompleks II[sunting]

Kompleks II: Suksinat-Q oksidoreduktase.

Kompleks II merupakan kompleks enzim yang disebut suksinat kuinon

oksidoreduktase (EC 1.3.5.1) adalah 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 adalah satu-satunya kompleks enzim yang merupakan bagian dari

kedualintasan 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 gugusheme yang tidak berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q,

namun dipercayai penting dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif.[40][41] Enzim

ini mereduksifumarat menjadi suksinat dan meoksidasi hidrokuinon. Karena reaksi ini

melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor

proton melewati membran dan tidak 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, terdapat

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 lingkungan

anaerobik di usus besar dan menjalankan fosforilasi oksidatif anaerobik

dengan fumarat sebagai akseptor elektron.[42] Fungsi tak lazim kompleks II

lainnya dapat dilihat pada parasitmalaria Plasmodium falciparum. Pada

organisme ini, fungsi kompleks II yang terbalik sebagai oksidase berperan

penting dalam pemulihan ubikuinol, yang oleh parasit digunakan untuk

biosintesis pirimidina.[43]

Flavoprotein transfer elektron-Q oksidoreduktase[sunting]

Pada kompleks II terdapat 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 macam flavoprotein

dehidrogenaseyang terdapat 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

  

oksidasi  dengan substrat berupa asam lemak yang

disebut lintasan oksidasi ß, katabolisme beberapa asam

amino dan kolina,[46]kemudian mentransfer elektronnya ke dalam

kompleks II.[47]

Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dan enzim yang

berperan adalah 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 lingkungan

gelap yang berkepanjangan yang tidak memungkinkan

terjadinya fotosintesis, sehingga terjadi simtoma hipoglisemia.

Kompleks III[sunting]

Dua langkah transfer elektron pada kompleks II:Q-sitokrom c

oksidoreduktase. Pada akhir tiap langkah, Q (berada pada bagian

atas gambar) meninggalkan enzim.

Kompleks III juga dikenal sebagai kompleks enzim UCCRyang

memiliki 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 satusitokrom c1 dan dua sitokrom b.

[52] Sitokrom adalah sejenis protein pentransfer elektron yang

mengandung paling tidak satu gugus heme. Atom besi dalam

gugus heme kompleks III berubah dari bentuk tereduksi Fe (+2)

menjadi bentuk teroksidasi Fe (+3) secara bergantian sewaktu

elektron ditransfer melalui protein ini.

Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu

molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tidak

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

rumit daripada kompleks lainnya, 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 dipindahkan ke sitokrom c yang merupakan

substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan dari QH2 dilepaskan

ke dalam ruang antarmembran. Substrat ketiga adalah Q, yang

menerima dua elektron dari QH2 dan direduksi menjadi Q.-, yang

merupakan radikal bebas 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 ia 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 ia

meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul

QH2 yang digunakan 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[sunting]

Kompleks IV: sitokrom c oksidase.

Kompleks IV adalah protein terakhir pada rantai transpor elektron

yang dikenal sebagai kompleks enzim COX.[55]

Dari penelitian pada hepatosit hewan sapi, enzim ini memiliki

struktur kompleks yang mengandung 13 subunit, antara lain

5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2 asam kolat, 2 gugus

heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, meliputi tiga

atom tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua

lintasan peletup ion H+ ditemukan membentang dari matriks

hingga sitoplasma.[56]

Pada model hepatosit hewan sapi, ion

H+ dengan energi potensial elektrostatikberkisar antara 635meV,

[57] tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase[58]

[59] fosfolipid  vesikel (COV) pada kedua fase oksidatif dan reduktif,

[60] setelah dikirimkan dari proton loading site (PLS), pada saat 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 berada 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.

Baik pemompaan proton secara langsung maupun konsumsi

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[sunting]

Enzim-enzim yang disebutkan di atas merupakan hasil kajian

pada hewan mamalia. Sebenarnya, banyak organisme eukariotik

lainnya yang memiliki rantai transpor elektron yang berbeda.

Sebagai contoh, tumbuhan memiliki NADH oksidase alternatif,

yang mengoksidasi NADH di sitosol daripada di matriks

mitokondria, dan ia akan memindahkan elektron ke kolam

ubikuinon.[66] Enzim-enzim ini tidak mentranspor proton, sehingga

ia mereduksi ubikuinon tanpa mengubah gradien elektronkimia

membran dalam.[67]

Contoh rantai transpor elektron divergen lainnya adalah oksidase

alternatif yang ditemukan pada tumbuh-tumbuhan, beberapa

spesiesfungi, protista, dan kemungkinan pula pada beberapa

hewan.[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 memiliki 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 lainnya 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[sunting]

Model awal bagaimana rantai kompleks respiratori ini

terorganisasikan adalah bahwa kompleks-kompleks ini berdifusi

dengan bebas dan terbebas dari membran mitokondria.

[27] Namun, data-data terbaru mensugestikan bahwa kompleks-

kompleks ini kemungkinan membentuk struktur berorde tinggi

yang disebut superkompleks ataupun

"respirasom."[74] Berdasarkan model superkompleks ini, berbagai

jenis kompleks ini terdapat dalam bentuk 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 lainnya, dengan beberapa data

mensugestikan rasio antara kompleks I/II/II/IV dan ATP sintase

kira-kira 1:1:3:7:4.[77] Walau demikian, perdebatan mengenai

hipotesis superkompleks ini masihlah belum berakhir, karena

beberapa data tampaknya tidak sesuai dengan model ini.[27][78]

Rantai transpor elektron prokariotik[sunting]

Informasi lebih lanjut: Metabolisme mikroba

Berbeda dengan banyaknya kemiripan dalam struktur dan fungsi

rantai transpor elektron pada

eukariota, bakteri dan arkaea memiliki banyak jenis enzim transfer

elektron yang sangat bervariasi. Enzim-enzim yang bervariasi ini

pula menggunakan senyawa kimia yang bervaruasi sebagai

substrat.[79] Walau demikian, terdapat kesamaan dengan rantai

transpor elektron eukarita, yaitu transpor elektron prokariotik juga

menggunakan energi yang dilepaskan dari oksidasi substrat untuk

memompa ion keluar masuk membran dan menghasilkan gradien

elektrokimia. Fosforilasi oksidatif bakteri, utamanya

bakteri Escherichia coli telah dipahami secara mendetail,

manakala pada arkaea, hal ini masih belum dipahami dengan

baik.[80]

Perbedaan utama antara fosforilasi eukariotik dengan fosforilasi

oksidatif prokariotik adalah bahwa bakteri dan arkaea

menggunakan banyak senyawa-senyawa yang berbeda untuk

menerima dan mendonor elektron. Hal ini sebenarnya

mengijinkan prokariota untuk hidup dan tumbuh dalam berbagai

jenis kondisi dan lingkungan.[81] Pada E. coli, sebagai contohnya,

fosforilasi oksidatif dapat didorong oleh sejumlah besar pasangan

reduktor dan oksidator (lihat tabel di bawah). Potensial titik tengah

suatu senyawa kimia mengukur seberapa banyak energi yang

dilepaskan ketika ia dioksidasi maupun direduksi, dengan

reduktor memiliki potensial negatif dan oksidator positif.

Enzim dan substrat pernafasen pada E. coli.[82]

Enzim pernafasen Pasangan redoks

 Potensial titik tengah 

(Volt)

 Format dehidrogenase

Bikarbonat / Format −0,43

 Hidrogenase Proton / Hidrogen −0,42

 NADH dehidrogenase

NAD +  / NADH −0,32

 Gliserol-3-fosfat dehidrogenase

DHAP / Gly-3-P −0,19

 Piruvat oksidase Asetat + Karbon

dioksida / Piruvat   ?

 Laktat dehidrogenase

Piruvat / Laktat −0,19

 Asam D -amino dehidrogenase

 2-oksoasam + amonia / Asam D -amino   

 ?

 Glukosa dehidrogenase

Glukonat / Glukosa −0,14

 Suksinat dehidrogenase

Fumarat / Suksinat +0,03

 Ubikuinol oksidase Oksigen / Air +0,82

 Nitrat reduktase Nitrat / Nitrit +0,42

 Nitrit reduktase Nitrit / Amonia +0,36

 Dimetil sulfoksida reduktase

DMSO / DMS +0,16

 Trimetilamina N - oksida reduktase

TMAO / TMA +0,13

 Fumarat reduktase Fumarat / Suksinat +0,03

Sebagaimana yang ditunjukkan oleh tabel di atas, E. coli dapat

tumbuh dengan menggunakan 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 tidak lazim karena potensial titik

tengahnya mendekati nol. Suksinat oleh karenanya dapat

dkoksidasi menjadi fumarat apabila terdapat oksidator kuat

seperti oksigen dan fumarat dapat direduksi menjadi suksinat

menggunakan reduktor kuat seperti format. Reaksi alternatif ini

dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase untuk oksidasi suksinat

dan fumarat reduktase untuk reduksi fumarat.[83]

Beberapa prokariota menggunakan pasangan redoks yang hanya

memiliki perbedaan potensial titik tengah yang kecil. Sebagai

contohnya, bakteri yang melakukan nitrifikasi

seperti Nitrobakter mengoksidasi nitrit menjadi nitrat dan

mendonarkan elektron ke oksigen. Sejumlah kecil energi yang

dilepaskan oleh reaksi ini cukup untuk memompa proton dan

menghasilkan ATP, namun tidak cukup untuk menghasilkan

NADH ataupun NADPH secara langsung untuk digunakan

dalam anabolisme.[84] Permasalahan ini diselesaikan dengan

menggunakan 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

lingkungan.[87] Fleksibilitas ini dimungkinkan karena oksidase dan

reduktase yang berbeda menggunakan kolam ubikuinon yang

sama. Ini mengijinkan banyak kombinasi enzim untuk bekerja

secara bersamaan, yang saling terhubung oleh zat antara

ubikuinol.[82]

Selain beranekaragamnya lintasan metabolisme ini, prokariota

juga memiliki sejumlah besar isozim, yaitu enzim-enzim berbeda

yang mengkatalisis reaksi yang sama. Sebagai contohnya, E.

coli memiliki dua jenis ubikuinol oksidase yang berbeda. Di bawah

kondisi aerob, sel menggunakan oksidase yang berafinitas

rendah terhadap oksigen yang dapat mentranspor dua proton per

elektron. Namun, apabila kadar oksigen menurun, sel akan

menggunakan oksidase yang hanya mentransfer satu proton per

elektron namun berafinitas tinggi terhadap oksigen.[88]

ATP sintase (kompleks V)[sunting]

Informasi lebih lanjut: ATP sintase

ATP sintase, juga disebut kompleks V, adalah enzim terakhir

dalam lintasan fosforilasi oksidatif. Enzim ini ditemukan di seluruh

organisme hidup dan berfungsi sama pada prokariota maupun

eukariota.[89] Enzim ini menggunakan energi yang tersimpan pada

gradien proton di sepanjang membran untuk mendorong sintesis

ATP dari ADP dan fosfat (Pi). Perkiraan jumlah 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 adalah reaksi kesetimbangan, yakni ia dapat

digeser dengan mengubah gaya gerak proton. Dengan ketiadaan

gaya gerak proton, reaksi ATP sintase akan berjalan dari sisi

kanan ke kiri, menghidrolisis ATP dan memompa proton keluar

dari matriks melewati membran. Namun, ketika gaya gerak

protonnya tinggi, reaks dipaksa untuk berjalan secara terbalik,

yaitu dari sisi kanan ke kiri, mengijinkan proton mengalir dan

mengubah ADP menjadi ATP.[89]

ATP sintase adalah sebuah kompleks protein yang besar dengan

bentuk seperti jamur. Kompleks enzim ini pada mamalia

mengandung 16 subunit dan memiliki massa kira-kira

600 kilodalton.[93] Bagian yang tertanam pada membran disebut

FO dan mengandung sebuah cincin subunit c dan saluran proton.

"Tangkai" dan kepala yang berbentuk bola disebut F1 dan

merupakan tempat sintesis ATP. Kompleks yang berbentuk bola

pada ujung akhir F1 mengandung enam protein yang dapat dibagi

menjadi dua jenis: tiga subunit α dan tiga subunit β), manakala

bagian "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit γ, dengan ujung

tangkai menusuk ke dalam bola subunit α dan β.[94] Baik subunit α

dan β mengikat nukleotida, namun hanya subunit β yang

mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F1 pula terdapat

sebuah subunit berbentuk batang yang menghubungakan subunit

α dan β dengan dasar enzim.

Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui

saluran ini, motor FO berotasi.[95] Rotasi dapat disebabkan oleh

perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c,

menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit

c.[96] Cincin yang berotasi ini pada akhirnya 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 berada dalam bola subunit α

dan β memberikan energi agar 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 keadaan.[97] Pada

keadaan "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 berubah bentuk lagi dan memaksa kedua molekul ini

bersama, dengan tapak aktif dalam keadaan "ketat" (ditunjukan

dalam warna merah jambu) dan mengikat molekul ATP yang

terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke keadaan terbuka

dan melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat,

dan memulai siklus yang baru.

Pada beberapa bakteri dan arkaea, sintesis ATP didorong oleh

pergerakan ion natrium yang melalui membran sel daripada

pergerakan proton.[98][99] Arkaea seperti Methanococcus juga

mengandung A1Ao sintase, sebuah bentuk enzim yang

mengandung protein tambahan dengan kemiripan urutan asam

amino yang kecil dengan subunit ATP sintase bakteri dan

eukariota lainnya. Adalah mungkin bahwa pada beberapa

spesies, bentuk enzim A1Aoadalah ATP-sintase terspesialisasi

yang digerakkan oleh natrium,[100] namun ini tidaklah benar pada

keseluruhan kasus.[99]

Spesi oksigen reaktif[sunting]

Informasi lebih lanjut: [[Stres oksidatif dan Antioksidan]]

Oksigen molekuler merupakan akseptor elektron akhir yang ideal,

karena ia 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 tidak 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 bagi sel, karena akan

mengoksidasi protein dan mengakibatkan mutasi pada DNA.

Kerusakan ini berkontribusi terhadap penyakit dan diajukan

pula merupakan salah satu akibat dari penuaan.[102][103]

Kompleks sitokrom c sangat efisien mereduksi oksigen

menjadi air, dan melepaskan hanya sedikit zat antara yang

tereduksi secara parsial. Namun terdapat sejumlah kecil

anion superoksida dan peroksida yang diproduksi oleh rantai

transpor elektron.[104] Terutama pentingnya adalah pada

reduksi koenzime Q pada kompleks III, karena radikal bebas

ubikuinon yang sangat reaktif terbentuk sebagai zat antara

dalam siklus Q. Spesi yang tidak 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 tertinggi ketika potensial membran

tinggi, diajukan bahwa mitokondria meregulasi aktivitas

kompleks untuk menjaga potensial membran berada 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

sejumlah sistem antioksidan, meliputi vitamin antioksidan

seperti vitamin Cdan 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 terdapat pada molekul hidrogen peroksida dan jenis

ROS lainnya, merupakan produk samping reaksi redoks yang

terjadi pada rantai transpor elektron.[108] Gangguan

mekanisme produksi ROS dapat berakibat pada berbagai

macam 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 bebas SQ -  dianggap merupakan

senyawa yang paling berperan 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 hingga saat

terstimulasi elektron yang kedua dengan reaksi,

Semikuinon lebih lanjut dapat berinteraksi langsung

dengan molekul oksigen dengan reaksi,

Inhibitor[sunting]

Terdapat beberapa obat dan racun yang

dikenal baik menginhibisi fosforilasi oksidatif.

Walaupun semua racun hanya menginhibisi

satu enzim pada rantai transpor elektron,

inhibisi pada langkah apapun pada proses ini

akan menghentikan keseluruhan proses.

Contohnya, jika oligomisin menginhibisi ATP

sintase, proton tidak dapat mengalir balik ke

dalam mitokondria.[109] Akibatnya, pompa proton

tidak dapat bekerja, karena gradien

konsentrasinya menjadi terlalu kuat untuk

diatasi. NADH kemudian tidak akan lagi

teroksidasi dan siklus asam sitrat berhenti

bekerja karena konsentrasi NAD+ menurun di

bahwa kadar yang cukup agar enzim bekerja.

SenyawaKeguna

an

Efek terhadap fosforilasi oksidatif

SianidaKarbon monoksida

Racun

Menghambat rantai transpor elektron dengan terikat lebih kuat daripada oksigen pada pusat Fe–Cu dalam sitokrom c oksidase, mencegah reduksi oksigen.[110]

Oligomisin Antibioti Menghambat ATP sintase

k

dengan memblokir aliran proton ke subunit Fo.[109]

CCCP2,4-Dinitrofenol

Racun

Ionofor yang mengganggu gradien proton dengan membawa proton melewati membran. Ionofor ini mengawagandengkan (uncouple) pompa proton dari sintesis ATP karena ia membawa proton melewati membran mitokondria dalam.[111]

Rotenon Pestisida

Mencegah transfer elektron dari kompleks I ke ubikuinon dengan menutup tapak ikat ubikuinon.[112]

Malonat danoksaloasetat

Inhibitor kompetitif suksinat dehidrogenase (kompleks II).[113]

Tidak semua inhibitor fosforilasi oksidatif

bersifat racun. Pada jaringan lemak coklat,

saluran proton yang diregulasi disebut UCP

(uncoupling protein), yang dapat

mengawagandengkan respirasi dari sintesis

ATP.[114] Respirasi cepat ini menghasilkan

panas, dan proses ini sangat penting dalam

menjaga suhu tubuh pada hewan yang

berhibernasi, walaupun protein ini kemungkinan

juga memiliki fungsi umum dalam respon sel

terhadap stres.[115]

Referensi