Fosforilasi oksidatif

Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme yang menggunakan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan adenosina trifosfat (ATP). Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semuanya menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP. Lintasan ini sangat umum digunakan karena ia merupakan cara yang sangat efisien untuk melepaskan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti glikolisis anaerobik.

Rantai transpor elektron dalam mitokondria merupakan tempat terjadinya fosforilasi oksidatif pada eukariota. NADH dan suksinat yang dihasilkan pada siklus asam sitratdioksidasi, melepaskan energi untuk digunakan oleh ATP sintase.

Selama fosforilasi oksidatif, elektron ditransfer dari pendonor elektron ke penerima elektron melalui reaksi redoks. Reaksi redoks ini melepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. Pada eukariota, reaksi redoks ini dijalankan oleh serangkaian kompleks protein di dalam mitokondria, manakala pada prokariota, protein-protein ini berada di membran dalam sel. Enzim-enzim yang saling berhubungan ini disebut sebagai rantai transpor elektron. Pada eukariota, lima kompleks protein utama terlibat dalam proses ini, manakala pada prokariota, terdapat banyak enzim-enzim berbeda yang terlibat.

Energi yang dilepaskan oleh perpindahan elektron melalui rantai transpor elektron ini digunakan untuk mentranspor proton melewati membran dalam mitokondria. Proses ini disebutkemiosmosis. Transpor ini menghasilkan energi potensial dalam bentuk gradien pH danpotensial listrik di sepanjang membran ini. Energi yang tersimpan dalam bentuk ini dimanfaatkan dengan cara mengijinkan proton mengalir balik melewati membran melalui enzim yang disebutATP sintase. Enzim ini menggunakan energi seperti ini untuk menghasilkan ATP dari adenosina difosfat (ADP) melalui reaksi fosforilasi. Reaksi ini didorong oleh aliran proton, yang mendorongrotasi salah satu bagian enzim.

Walaupun fosforilasi oksidatif adalah bagian vital metabolisme, ia menghasilkan spesi oksigen reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida. 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 racun yang dapat menghambat aktivitas enzim.

Tinjauan Transfer Energi Melalui Kemiosmosis

Fosforilasi oksidatif bekerja dengan cara menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk mendorong reaksi yang memerlukan energi. Kedua set reaksi ini dikatakanbergandengan. 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.[1] 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 elektrokimia di sepanjang membran, yang sering disebut gaya gerak proton (proton-motive force). Gradien ini mempunyai dua komponen: perbedaan pada konsentrasi proton (gradien pH) dan perbedaan pada potensi listrik. Energi tersimpan dalam bentuk perbedaan potensi listrikdalam mitokondria, dan juga sebagai gradien pH dalam kloroplas.[2]

ATP sintase melepaskan energi yang tersimpan ini dengan melengkapi sirkuit dan mengijinkan proton mengalir balik ke sisi negatif membran.[3] 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.[4] Rendemen ATP ini sebenarnya merupakan nilai teoritis maksimum; pada prakteknya, ATP yang dihasilkan lebih rendah dari nilai tersebut.[5]

Molekul pemindah elektron dan proton

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 elektron sitokrom c yang larut dalam air.[6] 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.[7]

Dalam membran dalam mitokondria, koenzim Q10 pembawa elektron yang larut dalam lipidmembawa baik elektron maupun proton menggunakan siklus redoks.[8] Molekul benzokuinon 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 QH2melepaskan 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 QH2dioksidasi pada sisi lainnya, ubikuinon akan menggandengkan reaksi ini dan mengulang alik proton melewati membran.[9] Beberapa rantai transpor elektron bakteri menggunakan kuinon yang berbeda, seperti menakuinon, selain ubikuinon.[10]

Dalam protein, elektron ditransfer antar kofaktor flavin,[11][3] 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 atom sulfur; 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.[12] Hal ini terjadi melalui penerowongan kuantum, yang terjadi dengan cepat pada jarak yang lebih kecil daripada 1,4×10−9 m.[13]

Rantai transpor elektron eukariotik

Banyak proses-proses katabolik biokimia, seperti glikolisis, siklus asam sitrat, dan oksidasi beta, menghasilkan koenzim NADH yang tereduksi. Koenzim ini mengandung elektron yang memilikipotensial 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.

1. Kompleks I (NADH dehidrogenase)

2. Kompleks II: Suksinat-Q oksidoreduktase.

3. Komplek 3 (Q-sitokrom c oksidoreduktase)

4. Kompleks IV: Sitokrom C Oksidase.

5. Komplek V (ATP sintase)

Sumber :

Mitchell P, Moyle J (1967). "Chemiosmotic hypothesis of oxidative phosphorylation".Nature 213 (5072): 137-9. DOI:10.1038/213137a0.

Dimroth P, Kaim G, Matthey U (Jan 2000). "Crucial role of the membrane potential for ATP synthesis by F(1)F(o) ATP synthases". J. Exp. Biol.203 (Pt 1): 51-9.

Schultz B, Chan S (2001). "Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes". Annu Rev Biophys Biomol Struct 30: 23-65.DOI:10.1146/annurev.biophys.30.1.23.

Rich PR (2003). "The molecular machinery of Keilin's respiratory chain". Biochem. Soc. Trans. 31 (Pt 6): 1095-105. DOI:10.1042/BST0311095.

Porter RK, Brand MD (1995). "Mitochondrial proton conductance and H+/O ratio are independent of electron transport rate in isolated hepatocytes". Biochem. J. 310 ((Pt 2)): 379-82.

Mathews FS (1985). "The structure, function and evolution of cytochromes". Prog. Biophys. Mol. Biol. 45 (1): 1-56. DOI:10.1016/0079-6107(85)90004-5.

Wood PM (1983). "Why do c-type cytochromes exist?". FEBS Lett. 164 (2): 223-6.DOI:10.1016/0014-5793(83)80289-0.

Crane FL (Dec 2001). "Biochemical functions of coenzyme Q10". Journal of the American College of Nutrition 20 (6): 591-8.

Mitchell P (1979). "Keilin's respiratory chain concept and its chemiosmotic consequences". Science 206 (4423): 1148-59. DOI:10.1126/science.388618.

Søballe B, Poole RK (1999). "Microbial ubiquinones: multiple roles in respiration, gene regulation and oxidative stress management" (PDF). Microbiology (Reading, Engl.)145 (Pt 8): 1817-30.

Johnson D, Dean D, Smith A, Johnson M (2005). "Structure, function, and formation of biological iron-sulfur clusters". Annu Rev Biochem 74: 247-81.DOI:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518.

Page CC, Moser CC, Chen X, Dutton PL (1999). "Natural engineering principles of electron tunnelling in biological oxidation-reduction". Nature 402 (6757): 47-52. DOI:10.1038/46972.

Leys D, Scrutton NS (2004). "Electrical circuitry in biology: emerging principles from protein structure". Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (6): 642-7. DOI:10.1016/j.sbi.2004.10.002.

Boxma B, de Graaf RM, van der Staay GW, et al (2005). "An anaerobic mitochondrion that produces hydrogen". Nature 434 (7029): 74-9. DOI:10.1038/nature03343.