RESPIRASI AEROB : FOSFORILASI OKSIDATIF

FOSFORILASI OKSIDATIF

Fosforilasi oksidatif berlangsung di krista mitokondria, prosesnya terdiri dari rantai transport electron dan kemiosmosis.Rantai transport electron merupakan sekumpulan molekul yang tertanam di dalam membrane-dalam mitokondria, Pada sel prokariotik molekul-molekul tersebut terdapat di membrane plasma. Pelipatan-pelipatan membrane dalam membentuk krista meningkatkan luas permukaanya, sehingga menyediakan ruang untuk ribuan rantai transport electron dalam setiap mitokondria.

gambar. krista/membran dalam mitokondria

Rantai transport electron terdiri dari empat komplek multiprotein Yaitu komplek I, komplek II, kompleks III dan komplek IV,  Serta ada ubiquinone /koenzim Q sebagai penghubung electron komplek I ke komplek II, molekul hidrofobik kecil ini merupakan satu-satunya rantai transpor electron yang bukan merupakan protein. Ada juga sitokrom C yang bebas bergerak dari kompleks III ke komplek IV dan sebaliknya.
Di dalam komplek I terdapat flavin mononukeotida (FMN) dan protein besi-sulfur (Fe-S)
Dalam kompleks II terdapat FAD dan juga Fe-S Di dalam komplek 3 terdapat sitokrom b, Protein besi-sulfur dan Sitokrom c1  Dan di dalam komplek IV terdapat sitokrom a dan terakhir sitokrom a3
Selanjutnya kemosintesis dijalankan oleh kompleks protein atau disebut dengan enzim ATP sintase
Sekarang mari kita pelajari bagaimana fosforilasi oksidatif ini mampu mengubah NADH dan FADH2 menjadi ATP.

Gambar. Tahapan Fosforilasi oksidatif

NADH dan FADH2 merupakan molekul pembawa electron berenergi tinggi, energy yang dilepaskan digunakan untuk memompa ion hydrogen dan memberikan tenaga bagi sintesis ATP. NADH membawa 2 electron, yang selanjutnya ditangkap oleh FMN yang ada di komplek I. Melalui reaksi redoks berikutnya electron diteruskan ke Fe-S, transfer electron ini mengakibatkan ion H+ di matrik bisa terpompa menyebrangi membrane menuju ruang antar membrane. Fe-S ini kemudian meneruskan electron ke senyawa ubiquinone atau koenzim Q Ubiquinon bergerak dari komplek I menuju komplek II dengan membawa 2 elekron.
Di komplek II electron ditangkap oleh sitokrom b, dan ubiquinone bergerak kembali ke komplek I atau komplek II untuk mengambil electron lagi. Elektron dari sitokrom b ditransfer ke Fe-S, kemudian ke sitokrom c1, transfer electron ini juga mengakibatkan terjadinya pergerakan ion H+ dari matriks menuju ke ruang antar sel. Selanjutnya elektron dari sitokrom c1 diangkut oleh sitokrom C dari komplek III menuju ke komplek IV.
Setelah sampai di komplek IV, electron diterima oleh sitokrom a Sitokrom C kembali lagi ke komplek III untuk mengambil electron yang lain. Selanjutnya sitokrom a mentransfer elektronnya ke sitokrom a3, ini juga mengakibatkan ion H+ bergerak menyeberangi membrane dari matriks menuju ke ruang antar membrane. Sitokrom a3 selanjutnya meneruskan elektronnya ke oksigen, masing-masing ion oksigen juga mengambil sepasang ion hydrogen dari matriks untuk membentuk air. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa oksigen adalah sebagai penerima electron terakhir.
Selanjutnya ion H+ yang sudah dipompa ke ruang antar membrane bergerak menuruni gradient konsentrasi melewati ATP sintase, Aliran H+ memberikan tenaga bagi ATP sintase untuk bergerak memutar, gerakan memutar tersebut dimanfaatkan untuk memfosforilasi ADP menjadi ATP. Sama halnya dengan ion H+ dari komplek I, ion H+ dari komplek III dan komplek IV juga mengalir menggerakan ATP sintase sehingga terjadi fosforilasi ADP membentuk ATP ,  Dengan demikian fosforilasi oksidatif satu molekul NADH menghasilkan sekitar 3 ATP.
Berbeda dengan NADH, 2 electron yang dibawa oleh FADH2 memasuki rantai transport electron melalui komplek II dan ditangkap oleh FAD di dalam komplek . Selanjutnya electron ditransfer ke Fe-S, pada kompleks ini TIDAK menyebabkan terjadinya pergerakan ion H+ melewati membrane. Selanjutnya electron dibawa oleh ubiquinone menuju ke komplek III dan diterima oleh sitokrom b.  Dari sitokrom b electron ditransfer ke Fe-S dan kemudian ke sitokrom c1, transfer electron ini mengakibatkan ion hydrogen bergerak menyeberangi membrane.
Selanjutnya sitokrom c bergerak mengangkut electron dari komplek III ke komplek IV, di komplek IV electron diterima oleh sitokrom a. Dari sitokrom a, electron ditransfer ke sitokrom a3, disertai dengan pergerakan ion H+ menuju ke ruang antar membrane. Elektron dari sitokrom a3 ditangkap oleh penerima electron terakhir yaitu oksigen, dan masing-masing atom oksigen juga mengambil sepasang ion hydrogen membentuk air. Atom oksigen disini direpresentasikan sebagai ½ O2 untuk menekankan bahwa rantai transport electron mereduksi oksigen molekuler, O2, bukan oksigen individual.
Selanjutnya ion hydrogen dari komplek III bergerak menuruni gradient konsentrasi melewati ATP sintase, sehingga menggerakan ATP sintase untuk berputar dan menghasilkan ATP dari fosforilasi ADP.  Begitu juga ion hydrogen dari komplek IV bergerak menuruni gradient konsentrasi melewati ATP sintase, menggerakkannya, dan dari gerakan tersebut mampu mefosforilasi ADP membentuk ATP.
Dengan demikian, fosforilasi oksidatif mampu menghasilkan 2 ATP dari satu molekul FADH2. Jika tahap sebelum fosforilasi oksidatif dihasilkan 10 NADH dan 2 FADH2, maka saat memasuki tahap fosforilasi oksidatif akan dihasilkan 6 H2O dan 34 ATP.

DEKARBOKSILASI OKSIDATIF DAN SIKLUS KREBS

A. DEKARBOKSILASI OKSIDATIF REAKSI PENGGHUBUNG/PERANTARA GLIKOLISIS DENGAN SIKLUS KREBS 

Tahap yang ke dua dari respirasi aerob adalah dekarboksilasi oksidatif.  Pada tahap sebelumnya, glikolisis melepaskan kurang dari seperempat energy kimia yang tersimpan dalam glukosa, Sebagian besar energy tetap tertumpuk di dalam kedua molekul piruvat. Jika ada oksigen, molekul piruvat akan memasuki mitokondria, khusus pada sel eukariotik, Sedangkan pada sel prokariotik tidak terdapat mitokondria, sehingga langsung mengalami reaksi berikutnya dan terjadi di sitosol. 

Molekul piruvat memasuki mitokondria dengan cara transport aktif, sehingga dibutuhkan beberapa energy untuk terjadinya transport piruvat dari sitoplasma ke matriks mitokondria.

BAGAN. TAHAPAN DEKARBOKSILASI OKSIDATIF

Ada tiga reaksi utama yang terjadi pada dekarboksilasi oksidatif ini, Yang pertama, gugus karboksil pada piruvat disingkirkan dan dilepaskan sebagai CO2, Sehingga piruvat kini berubah menjadi suatu fragmen berkarbon dua. Inilah sebabnya tahap ini disebut sebagai “dekarboksilasi”, artinya melepaskan gugus karboksil yang ada di piruvat. Dan tahap ini juga merupakan langkah pertama yang melepaskan CO2 selama respirasi. 

Setelah gugus karboksil terlepas, tahap kedua yaitu fragmen berkarbon dua yang tersisa dioksidasi membentuk senyawa asetat, Kemudian enzim mentransfer electron-electron yang terekstraksi ke NAD+, sehingga terbentuklah NADH.

Tahap yang ketiga dari dekarboksilasi oksidatif ini adalah, Koenzim A, suatu senyawa bersulfur yang berasal dari vitamin B, dilekatkan ke asetat oleh suatu ikatan tak stabil membentuk asetil Co-A, Asetil Co-A ini memiliki energy potensial yang tinggi, sehingga reaksi asetil Co-A untuk menghasilkan produk-produk yang berenergi rendah sangatlah eksergonik. 

Ada dua molekul piruvat yang memasuki tahap dekarboksilasi oksidatif ini, Sehingga dihasilkan 2 CO2, 2 NADH dan 2 Asetil Co-A 2 Asetil Co-A selanjutnya akan memasuki siklus krebs untuk dioksidasi lebih lanjut.

B. SIKLUS ASAM SITRAT

Siklus asam sitrat disebut juga siklus asam trikarboksilat atau siklus krebs, Krebs diambil dari nama ilmuwan jerman-inggris HANS ADOLF KREBS yang mendiskripsikan sebagian besar jalur metabolic ini pada tahun 1930-an.

BAGAN. DAUR KREBS

Asetil Co-A yang berasal dari dekarboksilasi oksidatif, kini siap untuk memasuki siklus asam sitrat. Coenzim-A terlepas, dan menambahkan gugus asetil berkarbon dua miliknya ke oksaloasetat, lalu menghasilkan sitrat. 

Sitrat mengalami pembuangan satu molekul air dan penambahan satu molekul air lain membentuk isomernya, isositrat Isositrat dioksidasi, mereduksi NAD+ menjadi NADH, kemudian senyawa yang dihasilkan kehilangan satu molekul CO2 membentuk alfa ketoglutarat.

Satu lagi CO2 hilang, dan senyawa yang dihasilkanpun dioksidasi, mereduksi NAD+ menjadi NADH. Molekul yang tersisa kemudian melekat dengan koenzim A melalui ikatan yang tak stabil membentuk suksinil Ko-A.

Koenzim A digantikan oleh gugus fosfat, yang ditransfer ke GDP, membentuk GTP, suatu molekul dengan fungsi yang serupa dengan ATP. Dan dalam beberapa kasus, GTP digunakan untuk menghasilkan ATP Kemudian terbentuklah molekul suksinat yang memiliki struktur simetris. 

Selanjutnya dua hydrogen ditrasnfer ke FAD membentuk FADH2 dan mengoksidasi suksinat FAD merupakan singkatan dari flavin adenin dinukleotida,yang berasal dari ribovlavin, salah satu jenis vit. B. Dari suksinat kemudian menjadi fumarat. 

Selanjutnya fumarat mengalami penambahan satu molekul air, sehingga menyusun ulang ikatan-ikatan dalam substrat membentuk malat. Selanjutnya malat dioksidasi, mereduksi NAD+ menjadi NADH dan membentuk kembali oksaloasetat. Kemudian siklus kembali berulang dengan bergabungnya gugus asetil ke oksaloasetat. 

Dari bagan ini terlihat bahwa huruf berwarna merah mengikuti perjalanan kedua atom karbon dari asetil CoA yang memasuki siklus. Penggunaan huruf merah hanya sampai langkah 5, karena molekul suksinat bersifat simetris, kedua ujungnya tidak dapat dibedakan. Sementara huruf berwarna hijau mengindikasikan kedua karbon yang keluar dari siklus sebagai CO2. 

Perhatikan bahwa atom-atom carbon yang memasuki siklus dari asetil CoA tidak meninggalkan siklus dalam putaran yang sama. Sebagai akibatnya, oksaloasetat yang diregenerasi pada langkah 8 terdiri atas atom-atom carbon yang berbeda pada setiap putaran. 

Bagan ini menunjukan satu siklus asam sitrat dengan satu molekul asetil KoA. Sekarang dapat dihitung jika ada 2 molekul asetil Co-A yang masuk ke siklus asam sitrat maka akan menghasilkan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2, dan 4 CO2.

RESPIRASI AEROB : GLIKOLISIS

TAHAP GLIKOLISIS PADA RESPIRASI AEROB

Sekarang kita akan bahas tahap glikolisis secara lebih rinci. Glikolisis terjadi di sitosol dan proses tersebut tidak membutuhkan oksigen. Glukosa merupakan molekul berkarbon 6, ia memasuki sel kemudian difosforilasi oleh enzim heksokinase, yang mentransfer gugus fosfat dari ATP ke glukosa. Dengan adanya fosforilasi ini membuat glukosa berubah menjadi glukosa-6-fosfat dan menjadi lebih reaktif.

Glukosa-6-fosfat diubah menjadi isomernya, fruktosa-6-fosfat, dibantu oleh enzim fosfoglukoisomerase. Selanjutnya terjadi fosforilasi lagi, yaitu penambahan gugus fosfat dari ATP terhadap fruktosa-6-fosfat oleh enzim fosfofruktokinase. Dengan penambahan satu lagi gugus fosfat ini, menjadikan molekul tersebut memiliki gugus fosfat di kedua ujungnya. Molekul tersebut diberi nama fruktosa-1,6-difosfat. 

Fruktosa-1,6-bifosfat kemudian dipecah oleh enzim aldolase menjadi dua gula berkarbon 3 yang berbeda, yaitu Dihidroksiasetonfosfat dan gliseraldehida-3-fosfat Gliseraldehida-3-fosfat bisa langsung diubah ke reaksi berikutnya, sedangkan dehidroksiaseton fosfat harus diubah dulu menjadi gliseraldehida-3-fosfat agar bisa melangsungkan reaksi berikutnya. 

Gliseraldehida-3-fosfat juga bisa berubah menjadi dihidroksiaseton fosfat jika jumlahnya melimpah atau melebihi jumlah yang dibutuhkan. Enzim isomerase lah yang mengkatalis perubahan dapat balik antara kedua gula tersebut, reaksi ini tidak pernah mencapai kesetimbangan dalam sel, karena yang bisa melanjutkan reaksi adalah gliseraldehida-3-fosfat, maka dapat dikatakan 1 gula berkarbon 6 dipecah menjadi dua molekul gliseraldehida-3-fosfat yang masing-masing akan berlanjut ke tahap berikutnya. 

Tahap berikutnya, enzim triosa fosfat dehydrogenase mengoksidasi gliseraldehida-3-fosfat melalui transfer electron dan H+ ke NAD+ membentuk NADH, Pembentukan NADH ini bersifat sangat eksergonik, sehingga enzim memanfaatkan energy yang dilepaskan untuk melekatkan gugus fosfat ke substrat yang telah teroksidasi. Sumber fosfat berasal dari kumpulan ion fosfat anorganik yang selalu ada di dalam sitosol. Dan kemudian terbentuklah molekul 1,3-bifosfogliserat.

Perhatikan bahwa koefisien 2 terdapat di depan semua molekul, maksud dari koefisien 2 tersebut adalah menunjukan bahwa ada 2 molekul gliseraldehida-3-fosfat yang melakukan reaksi, sehingga semua molekul dikalikan 2. 

Molekul gula 1,3-bifosfogliserat selanjunya mentransfer satu gugus fosfatnya ke ADP dalam reaksi eksergonik, sehingga dihasilkan 1 ATP untuk setiap molekul 1,3-bifosfogliserat, karena ada 2 molekul 1,3-bifosfogliserat maka dihasilkan 2 ATP. Reaksi ini dikatalis oleh enzim fosfogliserokinase. Selanjutnya terbentuklah 2 molekul 3-fosfogliserat, molekul ini sudah tidak tergolong sebagai gula, karena gugus karbonil sudah teroksidasi menjadi gugus karboksil, ciri khas dari asam organik.

Selanjutnya 2 molekul 3-fosfogliserat diubah oleh enzim fosfogliseromutase menjadi 2 molekul 2-fosfogliserat. Selanjutnya enzim enolase mengekstraksi satu molekul air, sehingga terbentuk ikatan ganda dalam substrat menjadi fosfoenolpiruvat. 2 molekul fosfoetanolpiruvat masing-masing mentransferkan satu gugus fosfatnya ke ADP sehingga terbentuk 2 ATP. Dan terakhir terbentuklah 2 molekul piruvat. 

BAGAN. TAHAPAN GLIKOLISIS.

Dilihat dari kebutuhan ATPnya, glikolisis terbagi menjadi dua fase yaitu FASE INFESTASI ENERGI dan FASE PEMBAYARAN ENERGI Fase infestasi energy membutuhkan 2 ATP, sedangkan fase pembayaran energy menghasilkan 4 ATP. Jadi ATP bersih yang dihasilkan dari glikolisis ini adalah 2 ATP. Selain 2 ATP juga dihasilkan energy lain yang tersimpan dalam 2 NADH, Serta dihasilkan H2O yang nantinya akan digunakan kembali pada siklus asam sitrat.

TABEL. HASIL GLIKOLISIS

ATP TOTAL YANG DIHASILKAN DARI RESPIRASI AEROB

RESPIRASI AEROB MENGHASILKAN 36, 38 ATAU 40 ATP?

ini penjelasannya

Respirasi aerob terjadi di dalam organel mitokondria, dan sebagian yang lain terjadi di sitoplasma.
Berikut adalah struktur mitokondria,

Terdapat membrane rangkap yang melapisi mitokondira. Yaitu membrane luar dan membrane dalem.
Diantara kedua membrane tersebut terdapat ruang antar membrane.membran dalam memiliki struktur yang berbentuk lipatan-lipatan, sehingga ia memiliki permukaan yang jauh lebih luas dibandingkan membrane luar.Lipatan-lipatan membrane dalam yang menonjol ke arah dalam, disebut dengan krista, Rongga yang ada di dalam mitokondria disebut dengan matriks.

Reaksi respirasi seluler secara umum adalah sebagai berikut,

C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + ATP 

Satu molekul glukosa ditambah 6 molekul oksigen menjadi 6 CO2, 6 H2O dan sejumlah ATP
Respirasi seluler memiliki 4 tahapan utama, yaitu glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, daur Krebs dan system transport elektron.

Berikut adalah gambaran umum jalur respirasi seluler.

Bagan respirasi aerob dan energi total yang dihasilkan

Dimulai dari tahap glikolisis, tahap ini terjadi di sitoplasma, setiap molekul glukosa dipecah menjadi 2 molekul piruvat.Tahap glikosisis membutuhkan 2 ATP, menghasilkan 4 ATP dan 2 NADH. Karena glikolisis membutuhkan 2 ATP dan kemudian menghasilkan 4 ATP, maka ATP bersih yang dihasilkan dari glikolisis adalah 2 ATP.
Selanjutnya 2 piruvat akan dibawa masuk ke mitkondria dengan cara transport aktif Setelah berada di matriks mitokondria, terjadi tahap dekarboksilasi oksidatif, Tahap ini merubah 2 piruvat menjadi 2 asetil Co-A, dan menghasilkan 2 NADH. 

Selanjutnya asetil Co-A memasuki siklus asam sitrat, tahap ini juga terjadi di matrik mitokondria,
Pada siklus ini dihasilkan 2 ATP, juga 6 NADH dan 2 FADH2.
Selanjutnya memasuki tahap terakhir yaitu fosforilasi oksidatif, yang berlangsung di krista mitokondria. Fosforilasi oksidatif merubah 1 NADH menjadi 3 ATP, dan 1 FADH2 menjadi 2 ATP,
Sehingga ATP yang dihasilkan dari 10 NADH dan 2 FADH2 adalah maksimal 34 ATP. Dengan rincian 10 NADH berasal dari glikolisis 2 NADH, dekarboksilasi oksidatif 2 NADH, dan Siklus asam sitrat 6 NADH. Sedangkan 2 FADH2 berasal dari siklus asam sitrat saja. Jadi total ATP yang  dihasilkan dari 1 molekul glukosa adalah maksimal 38 ATP.
Dikatakan “maksimal” karena ATP yang dihasilkan bisa kurang dari 38 ATP, Hal ini disebabkan karena 3 factor,
Pertama, satu molekul NADH sebenarnya menghasilkan ATP tidak utuh 3 ATP, melainkan 2.5 sampai dengan 3.3 ATP. namun untuk mempermudah perhitungan akhirnya dibulatkan menjadi 3 ATP.  Begitu juga dengan 1 molekul FADH2, ia tidak selamanya menghasilkan 2 ATP, melainkan 1.5 sampai dengan maksimal 2 ATP.
Yang kedua, ATP yang dihasilkan juga digunakan untuk transport aktif piruvat dari dari sitosol ke matriks mitokondria. Sehingga mengurangi jumlah bersih ATP yang dihasilkan. Walaupun sebenarnya ATP yang digunakan untuk transport aktif ini tidak berpengaruh signifikan terhadap jumlah ATP yang dihasilkan.
Yang ketiga, NADH dari sitosol bisa diteruskan menjadi NADH atau FADH2, NADH yang dimaksud ini adalah NADH yang dihasilkan dari glikolisis, yang berlangsungnya memang di sitoplasma.

struktur mitokondria

Sehingga ketika NADH menembus membrane mitokondria, maka akan ditangkap oleh sistem ulang alik electron, kemudian electron diteruskan ke NAD+ atau bisa juga ke FAD, Jika electron diteruskan ke FAD seperti misalnya pada sel otak, hanya ada sekitar 2 ATP yang dihasilkan dari setiap NADH dari sitosol. Namun jika electron diteruskan ke NAD+ seperti dalam sel hati dan sel jantung, maka akan diperoleh sekitar 3 ATP. Namun, NADH dan FADH2 yang berasal dari dekarboksilasi oksidatif dan siklus asam sitrat sudah berada di dalam mitokondria dan tidak perlu melewati membrane. Sehingga disimpulkan bahwa ATP total per glukosa yang bisa dihasilkan adalah sekitar 36 atau 38 ATP.