TCA, Transport elektron dan phosporilasi oksidatif

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  LATAR BELAKANG

Siklus Asam Sitrat pertama-tama dikemukakan sebagai lintas oksidasi piruvat di dalam jaringan hewan pada tahun 1937 oleh Hans Krebs. Pemikiran ini mengilhaminya saat penelitian mengenai pengaruh anion dari berbagai jenis asam organik terhadap konsumsi oksigen oleh suspensi cacahan otot dada burung merpati yang mengoksidasi piruvat. Sebelumnya, peneliti menyebutkan ada 4 asam organik dikarboksilat yang ada dalam jaringan hewan yaitu suksinat, fumarat, malat, dan asam oksaloasetat yang merangsang konsumsi oksigen di otot. Teori Siklus Asam Sitrat ini dikemukakan oleh Krebs sebagai lintas utama bagi oksidasi karbohidrat di dalam otot. Tetapi, setelah penemuannya, asam sitrat telah berfungsi praktis dalam semua jaringan hewan dan tanaman tingkat tinggi serta mikroorganisme aerobik.

Siklus Krebs adalah satu seri reaksi yang terjadi di dalam mitokondria yang membawa katabolisme residu asetyl, membebaskan ekuivalen hidrogen, yang dengan oksidasi menyebabkan pelepasan dan penangkapan ATP sebagai kebutuhan energi jaringan. Residu asetyl dalam bentuk asetyl-KoA (CH3-CO-S-CoA, asetat aktif).

 transpor elektron adalah tahapan terakhir dari reaksi respirasi aerob. Transpor elektron sering disebut juga sistem rantai respirasi atau sistem oksidasi terminal. Transpor elektron berlangsung pada krista (membran dalam) dalam mitokondria. Molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan FADH₂, yang dihasilkan pada reaksi glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs. Selain itu, molekul lain yang juga berperan adalah molekul oksigen, koenzim Q (Ubiquinone), sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom a.

Radikal bebas adalah atom atau molekul yang kehilangan elektron / memiliki elektron yang tidak berpasangan, sehingga molekul tersebut menjadi tidak stabil dan selalu berusaha mengambil elektron dari atom atau molekul lain.

Radikal bebas dapat dihasilkan dari hasil metabolisme tubuh dan faktor eksternal seperti asap rokok, beberapa logam, hasil penyinaran ultra violet, radiasi, zat kimiawi dalam makanan dan polutan lain. Misalnya pada molekul air, ikatan atom oksigen dengan atom hidrogen berupa ikatan kovalen.   

Oksidan adalah molekul relative yang menyerang molekul lain, sebagian berupa radikal bebas, yang bersifat reaktif karena memiliki elektron yang tidak berpasangan, sehingga mengakibatkan ia tidak stabil. Oksidan, dalam pengertian ilmu kimia, adalah senyawa penerima elektron, (electron acceptor), yaitu senyawa-senyawa yang dapat menarik elektron. Ion ferri (Fe⁺⁺⁺), misalnya, adalah suatu oksidan.

Antioksidan (untuk melindungi diri dari oksidan) adalah suatu senyawa berkadar rendah yang dapat mencegah ataupun menghentikan terjadinya reaksi berantai dari pembentukan radikal bebas dalam tubuh kita. Antioksidan  dapat juga diartikan sebagai zat yang mampu memperlambat atau mencegah proses oksidasi.

1.2  RUMUSAN MASALAH

Dalam makalah ini adapun rumusan masalah nya adalah :

a.       Apa yang dimaksud dengan TCA (tricarboxylic acid)?

b.      Bagaimana pengendalian daur TCA dalam tubuh?

c.       Bagaimana proses terjadinya transpor elektron dalam tubuh?

d.      Bagaimana proses pembentukan radikal bebas dan H₂O dalam tubuh?

e.       Apa yang dimaksud dengan oksidan dan antioksidan?

f.       Apa dampak oksidan dan antioksidan bagi tubuh?

1.3  TUJUAN PENULISAN

Tujuan penulisan makalah ini adalah :

a.       Untuk memenuhi tugas mata kuliah biokimia 1

b.      Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan TCA (tricarboxylic acid).

c.       Untuk mengetahui tahap-tahap pengendalian daur TCA dalam tubuh.

d.      Untuk mengetahui tahap-tahap transpor elektron dalam tubuh.

e.       Untu mengetahui proses pembentukan radikal bebas dan H₂O dalam tubuh.

f.       Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan oksidan dan antioksidan.

g.      Untuk mengetahui dampak oksidan dan antioksidan dalam tubuh.

1.4  BATASAN MASALAH

Batasan masalah dalam makalah ini terbatas pada rumusan masalah.

Bab iI

PEMBAHASAN

2.1    TCA  (Tricarboxylic Acid)

Respirasi sel terjadi dalam tiga tahapan penting, yaitu:

1.        Molekul bahan organik dioksidasi menghasilkan gugus asetil dari asetil koenzim

2.        Gugus asetil ini masuk ke dalam siklus asam sitrat yang akan menguraikan molekul secara enzimatik , menghasilkan atom hidrogen berenergi tinggi, dan membebaskan CO₂ produk oksidasi akhir bahan bakar organik tersebut

3.        Atom Hidrogen dipisahkan menjadi proton dan elektron berenergi tinggi yang dipindahkan menuju molekul oksigen dan tereduksi menjadi H₂O.

A.       Munculnya Pemikiran Mengenai Siklus Asam Sitrat

                         Siklus Asam Sitrat pertama-tama dikemukakan sebagai lintas oksidasi piruvat di dalam jaringan hewan pada tahun 1937 oleh Hans Krebs. Pemikiran ini mengilhaminya saat penelitian mengenai pengaruh anion dari berbagai jenis asam organik terhadap konsumsi oksigen oleh suspensi cacahan otot dada burung merpati yang mengoksidasi piruvat. Sebelumnya, peneliti menyebutkan ada 4 asam organik dikarboksilat yang ada dalam jaringan hewan yaitu suksinat, fumarat, malat, dan asam oksaloasetat yang merangsang konsumsi oksigen di otot.

Setelah itu, Krebs mengamati bahwa malat, penghambat kompetitif spesifik bagi dehidrogenase suksinat menghambat penggunaan piruvat secara aerobik tanpa tergantung pada jenis asam organik lain sehingga disebut sebagai komponen esensial dalam reaksi enzimatik yang terlibat dalam oksidasi piruvat. Krebs pun menemukan bahwa jika malat digunakan untuk menghambat pemakaian piruvat secara aerobik, akan terjadi penumpukan sitrat, α-ketoglutarat, dan suksinat dalam medium suspensi.

Krebs akhirnya menyimpulkan bahwa asam tri- dan dikarboksilat aktif di atas jika disusun dalam suatu urutan kimia secara logis dan tiap tahapannya merupakan pengubah-an kimiawi sederhana yang dikatalisis oleh suatu enzim spesifik serta inkubasi oksaloasetat dengan hancurnya jaringan otot yang mengakibatkan penumpukan. Pada bagian inilah Krebs menyatakan bahwa urutan ini berfungsi dalam suatu bentuk lingkaran , bukan dengan cara linear. Reaksi Hipotesis Krebs adalah:

                        Piruvat        +      oksaloasetat                        Sitrat  + CO₂

Teori Siklus Asam Sitrat ini dikemukakan oleh Krebs sebagai lintas utama bagi oksidasi karbohidrat di dalam otot. Tetapi, setelah penemuannya, asam sitrat telah berfungsi praktis dalam semua jaringan hewan dan tanaman tingkat tinggi serta mikroorganisme aerobik.

           

B.       Siklus Asam Sitrat

Dalam siklus yang sangat ruwet ini , melibatkan senyawa antara 4, 5,dan 6 atom karbon yang diperlukan untuk mengoksidasi gugus asetil 2 karbon. Asam asetat merupakan molekul kecil yang amat sederhana tahan terhadap oksidasi kimia pada atom karbon metilnya. Kondisi yang cukup drastis, yang tidak cocok dengan lingkungan di dalam sel, dibutuhkan untuk mengoksidasi asetat secara langsung menjadi dua molekul CO₂. Sel dapat dengan mudah menurunkan energi aktivasi, mereaksikan asam asetat dan oksaloasetat untuk menghasilkan sitrat yang jauh lebih mudah terhidrogenasi dan terkarboksilasi dari pada asetat itu sendiri.  

Siklus Asam Sitrat atau Asam Trikarboksilat merupakan lintasan terakhir bagi oksidasi gugus asetil, tempat bertemunya molekul bahan bakar organik sel, karbohidrat, asam lemak, dan asam amino selama katabolisme.

Pada jalur katabolisme, proses yang utama terjadi daur krebs (TCA) karena daur krebs ini paling efektif menghasilkan energi. Energi digunakan untuk mempertahankan sel dan biosintesis sehingga aktivitas sel sangat tergantung pada daur Krebs ini.

TCA atau Siklus Krebs merupakan proses di mana asam asetat (dalam bentuk Asetil- KoA) dioksidasi sempurna menjadi CO­₂ dan H₂O. Karena Asetil KoA dihasilkan dari piruvat, maka pada daur ini juga terjadi oksidasi sempurna dari molekul glukosa menjadi CO₂ dan H₂O.

           

C.      Tahapan dalam Siklus Krebs (Krebs Cycle)

GAMBAR SIKLUS KREBS (KREBS CYCLE)

 

Sebelum memasuki daur TCA , piruvat akan dioksidasi lebih dulu menjadi asetil Ko-A , yang pada gilirannya molekul inilah yang terlibat dalam siklus Krebs. Asam piruvat akan membentuk Asetil KoA dengan adanya enzim kompleks piruvat dehidrogenase, NAD⁺ , dan KoA-SH. Pada reaksi ini , akan mengeluarkan CO₂

           CH­_3­ – C- CO₂H  + KoA-SH  + NAD^{+ ­}      CH₃ – C – S – KoA + NADH + H⁺ + CO₂

                      ll                                                                              ll

                     O                                                                               O

Pada Krebs Cycle ini terdiri dari 8 tahapan penting yaitu :

1.   Sitrat Dibentuk oleh Kondensasi Asetil KoA dengan Oksaloasetat

Asetil KoA dengan asam oksaloasetat akan bergabung membentuk asam sitrat dengan bantuan enzim citrate synthase . Reaksi ini merupakan reaksi kondensasi aldol yang disertai hidrolisis dan berjalan searah dan akan mengeluarkan KoA-SH

Asetil KoA                     +          Oksaloasetat                                                  Sitril-KoA

CH₃ – C – S – KoA            O= C – CO₂H                                CH₂CO – S- KoA

         ll                                                      l                                                                 l

         O                                                  HC – CO₂H                                      HOC- CO₂H

                                                                   l                                                                l

                                                                  H                                                      HC- CO₂H

                                                                                                                                    l

                                                                                                                                   H        

                                                                                                                                           H₂O

                                                                                                               Asam sitrat + KoA-SH

                                                                                                                       CH₂CO₂H

                                                                                                                                   l

                                                                                                                    HOC – CO₂H

                                                                                                                                l

                                                                                                                            HC- CO₂H

                                                                                                                                 l

                                                                                                                                H           

2.   Sitrat Diubah Menjadi Isositrat melalui Cis- Akonitat

Asam sitrat akan membentuk isositrat dengan bantun enzim akonitase dan ion Fe²⁺. Proses ini melalui dua tahap yaitu :

a)       Pembentukan Cis- Akonitat dengan proses dehidrasi ( yang tetap terikat enzim)

b)       Melalui proses rehidrasi akan dibentuk asam isositrat dari asam isositrat , dengan adanya enzim isositrat dehidrogenase dan NAD⁺ akan dioksidasi membentuk asam oksalosuksinat (oxalosuccunic).

                        Asam sitrat                                               Asam Isositrat

                        CH₂- CO₂H                                          CH₂- CO₂H     

                         l                                                          l

                   HOC- CO₂H                                          HC – CO₂H

 l                                                          l

                     HC – CO₂H                                            H

           

3.        Isositrat Mengalami Dehidrogenasi Menghasilkan α-ketoglutarat dan CO₂

Reaksi ini diikuti dekarboksilasi oleh enzim yang sama menjadi α-ketoglutarat. Enzim ini memerlukan bantuan ion Mn⁺⁺ atau ion Mg⁺⁺.

Ada 3 jenis isositrat dehidrogenase yaitu :

a.    Satu jenis isositrat yang memerlukan NAD⁺  dan hanya ditemukan di dalam mitokondria. NADH dan H⁺ yang terbentuk akan diteruskan dalam rantai respirasi

b.    Dua jenis isositrat lainnya menggunkaan NADP⁺ dan ditemukan dalam mitokondria dan sitosol. Hasil dari reaksi adalah NADH⁺  dan  H⁺

Isositrat + NAD⁺ (NADP⁺)                   α-ketoglutarat  + CO₂ + NADH (NADPH) + H⁺

                                                                                                ΔG⁰ = 5,0 kkal / mol

4.        α-ketoglutarat Dioksidasi Menjadi Suksinil KoA dan CO₂

α- ketoglutarat  akan membentuk suksinil KoA (succinyl CoA) dengan adanya enzim kompleks α-ketoglutarat dehidrogenase. Enzim ini memerlukan kofaktor seperti TPP, Lipoat, NAD⁺, FAD dan KoA. Reaksi ini secara fisiologis berjalan searah. Pada reaksi ini, sama seperti reaksi pembentukan asetil KoA dari piruvat memerlukan NAD⁺ dan CoA-SH dan akan menghasilkan NADH, H⁺, dan CO₂. Reaksi ini dapat dihambat oleh arsenit sehingga mengakibatkan akumulasi atau penumpukan α-ketoglutarat.

          

           CH₂- CO₂H                                               CH₂- CO₂H                                                                   

            l                                                                l

        HCH + NAD⁺ + KoA-SH                          HCH + NADH + H⁺ + CO₂                                 

            l                                                                l

        O=C-CO₂ H                                              O=CS KoA

       (Asam α-ketoglutarat)                        (Suksinil KoA)

5.        Pengubahan Suksinil KoA Menjadi Suksinat

Suksinil KoA  akan  bereaksi dengan Pi membentuk asam suksinat (succinic acid). Enzim yang diperlukan adalah suksinat tiokinase dan Ko enzim GDP. Pada reaksi ini , akan terbentuk GTP dan KoA- SH. Reaksi ini merupakan satu-satunya dalam TCA Cycle yang membentuk senyawa fosfat berenergi tinggi pada tingkat substrat.

            CH₂- CO₂H                                                           CH₂- CO₂H

             l                                                                            l

            HCH  + GDP  + H₃PO₄                                      CH₂CO₂H + GTP KoA-SH

            l

           O=CS KoA

          (Suksinil KoA)                                                      (Asam Suksinat)

6.        Dehidrogenase Suksinat menjadi Fumarat

Asam suksinat dengan flavo protein suksinat dehidrogenase dan FAD akan memasam fumarat dan FADH₂. Reaksi ini tidak melewati NAD dan dehidrogenase secara kompetitif dihambat oleh malonat.

            CH₂CO₂H                                                          CHCO₂H

             l                    + FAD-enz                                  ll                 + FADH₂-enz

CH₂CO₂H                                                           CHCO₂H 

(Asam Suksinat)                                             (Asam Fumarat)

7.        Fumarat Terhidrasi Membentuk Malat

Asam fumarat dengan proses rehidrasi akan membentuk asam malat dan enzim yang diperlukan adalah  fumarase (fumarat hidratase).

            CHCO₂H                                                             HOCHCO₂H

            ll                         + H₂O                                                 l

            CHCO₂H                                                               HCHCO₂

            (Asam Fumarat)                                            (Asam L-Malat)

8.        Malat Mengalami Dehidrogenase Membentuk Oksaloasetat

Asam Malat akan membentuk asam oksaloasetat kembali dengan bantuan enzim malate dehidrogenase dan NAD⁺. Pada reaksi ini,  dihasilkan NADH dan H⁺

            HOCHCO₂H                                                   O=CHCO₂

                   l             + NAD⁺                                      l               + NADH + H⁺

               HCHCO₂                                                                                          HCHCO₂            

            (Asam L-Malat)                                              (Asam Oksaloasetat)

Asam oksaloasetat ini akan bergabung kembali dengan asetil KoA untuk membentuk asam sitrat dan reaksi akan berlangsung kembali

Energi yang diperoleh dari Siklus Krebs

Jumlah ATP yang dihasilkan dari TCA adalah sebagai berikut :

1.      Perubahan dari piruvat menjadi Asetil KoA memerlukan NAD⁺ dan akan meng-hasilkan NADH dan  H⁺ . NADH tersebut akan menghasilkan 3 ATP. Pada bagian ini, sebenarnya dihasilkan pada bagian oksidasi piruvat

2.      Perubahan isositrat menjadi oksalosuksinat juga menghasilkan NADH yang juga akan menghasilkan 3 ATP

3.      Perubahan dari α-ketoglutarat menjadi suksinil KoA dengan adanya enzim α- ketoglutarat dehidrogenase kompleks juga akan menghasilkan NAD yang setara dengan 3 ATP

4.      Perubahan dari suksinil KoA menjadi asam suksinat dengan enzim suksinat tiokinase akan menghasilkan GTP yang setara dengan 1 ATP

5.      Perubahan dari suksinat menjadi fumarat akan menghasilkan FADH₂ yang setara dengan 2 ATP

6.      Perubahan dari malat menjadi oksaloasetat akan menghasilkan NADH yang setaradengan 3 ATP

Total dari ATP yang dihsilkan dari setiap tahapan adalah :

             3+ 3+ 1+ 2+ 3 = 12 ATP

           

            Seperti kita ketahui dari 1 mol glukosa akan dihasilkan 2 mol piruvat sehingga ATP yang dihasilkan akan berjumlah 2 x 12 = 24 ATP/ 1 mol glukosa. Hasil utama yang diperoleh pada Siklus Krebs ini adalah 6 NADH, 1 ATP, 2 FADH₂, dan 4 CO₂.

2.2     Pengendalian daur Tca

Pengaturan Siklus Asam Sitrat / Siklus Krebs

Untuk Pengaturan Siklus Asam Sitrat  ditentukan oleh :

A.     Tahap Pertama:

1)     Konsentrasi Asetil KoA yang mengontrol kecepatan reaksi sintase sitrat

2)     Oksaloasetat yang memiliki konsentrasi amat rendah dan tergantung

            pada  kondisi metabolik

3)     Konsentrasi suksinil KoA (jika meningkat) , sitrat , dan NADH(dalam beberapa sel ) juga dapat menghambat sintase sitrat

B.     Tahap Kedua:

            Kedua Jenis Isositrat dehidrogenase yang berbeda diatur oleh rangsangan alosterik enzim yang berkaitan dengan NAD oleh ADP

C.      Tahap Ketiga:

            Suksinil KoA menghambat kerja enzim kompleks α-ketoglutarat dehidrogenase. Jadi, sedikitnya ada tiga tahap dalam siklus asam sitrat yang diatur, perinciannya berbeda dari satu jenis sel ke sel yang lain.

2.3     TRANSPOR ELEKTRON DAN FOSFORILASI OKSIDATIF

Proses konversi molekul FADH dan NADH yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat (citric acid cycle) 2 menjadi energi dikenal sebagai proses fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) atau juga Rantai Transpor Elektron (electron transport chain). Di dalam proses ini, elektron-elektron yang terkandung didalam molekul NADH & FADH ini akan dipindahkan ke dalam aseptor utama yaitu oksigen (O ). Pada akhir tahapan 2 2 proses ini, elektron yang terdapat di dalam molekul NADH akan mampu untuk menghasilkan 3 buah molekul ATP sedangkan elektron yang terdapat dalam molekul FADH akan menghasilkan 2 buah molekul ATP.

Rantai transpor elektron adalah tahapan terakhir dari reaksi respirasi aerob. Transpor elektron sering disebut juga sistem rantai respirasi atau sistem oksidasi terminal. Transpor elektron berlangsung pada krista (membran dalam) dalam mitokondria. Molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan FADH₂, yang dihasilkan pada reaksi glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs. Selain itu, molekul lain yang juga berperan adalah molekul oksigen, koenzim Q (Ubiquinone), sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom a.

 

Pertama-tama, NADH dan FADH₂ mengalami oksidasi, dan elektron berenergi tinggi yang berasal dari reaksi oksidasi ini ditransfer ke koenzim Q. Energi yang dihasilkan ketika NADH dan FADH₂ melepaskan elektronnya cukup besar untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Kemudian koenzim Q dioksidasi oleh sitokrom b. Selain melepaskan elektron, koenzim Q juga melepaskan 2 ion H⁺. Setelah itu sitokrom b dioksidasi oleh sitokrom c. Energi yang dihasilkan dari proses oksidasi sitokrom b oleh sitokrom c juga menghasilkan cukup energi untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Kemudian sitokrom c mereduksi sitokrom a, dan ini merupakan akhir dari rantai transpor elektron. Sitokrom a ini kemudian akan dioksidasi oleh sebuah atom oksigen, yang merupakan zat yang paling elektronegatif dalam rantai tersebut, dan merupakan akseptor terakhir elektron. Setelah menerima elektron dari sitokrom a, oksigen ini kemudian bergabung dengan ion H+ yang dihasilkan dari oksidasi koenzim Q oleh sitokrom b membentuk air (H₂O). Oksidasi yang terakhir ini lagi-lagi menghasilkan energi yang cukup besar untuk dapat menyatukan ADP dan gugus fosfat organik menjadi ATP. Jadi, secara keseluruhan ada tiga tempat pada transpor elektron yang menghasilkan ATP. Sejak reaksi glikolisis sampai siklus Krebs, telah dihasilkan NADH dan FADH₂ sebanyak 10 dan 2 molekul. Dalam transpor elektron ini, kesepuluh molekul NADH dan kedua molekul FADH₂ tersebut mengalami oksidasi sesuai reaksi berikut.

Setiap oksidasi NADH menghasilkan kira-kira 3 ATP, dan kira-kira 2 ATP untuk setiap oksidasi FADH₂. Jadi, dalam transpor elektron dihasilkan kira-kira 34 ATP. Ditambah dari hasil glikolisis dan siklus Krebs, maka secara keseluruhan reaksi respirasi seluler menghasilkan total 38 ATP dari satu molekul glukosa. Akan tetapi, karena dibutuhkan 2 ATP untuk melakukan transpor aktif, maka hasil bersih dari setiap respirasi seluler adalah 36 ATP.

1.     Aliran electron dari substrat ke oksigen merupakan sumber energi ATP 

Pada setiap putaran siklus asam sitrat, empat pasang atom hydrogen dipindahkan dari isositrat, α-ketoglutarat, suksinat, dan malat melalui aktifitas dehidrogenase spesifik. Atom hydrogen ini, pada beberapa tahap memberikan ellektron kepada rantai transport electron menjadi ion H⁺, yang terlepas kedalam medium cair. Electron tersebut diangkut disepanjang rantai molekul pembawa electron, sampai elktron-elektron ini mencapai sitokrom α α₃, atau oksidase sitokrom, yang menyebabkan perpindahan electron ke oksigen, yakni molekul penerima electron terakhir pada organisme airobik. Pada saat masing-masing otom oksigen menerima dua electron dari rantai tersebut, dua atom H⁺, yang setara dengan dua H⁺ yang dilepaskan sebelumnya dari dua atom hydrogen yang dipindahkan oleh dehidrogenase, diambildarimedium cair untuk membebntuk H₂O.

Selain keempat pasang hydrogen yang dihasilkan dari siklus asam sitrat, atom hydrogen lain dating dari dehidrogenase yang bekerja terhadsap pirupakt, asam lemak, dan asam amino selama degradasinya menjadi asetil-KOA dan produk lain.sebenarnya semua atom hydrogen yang diturunkan melalui aktifitas dehidrogenasi terhadap molekul bahan baker didalam sel aerobic pada akhirnya memberikan electron kepada rantai respirasi yaitu lintas terakhir bagi raksi-reaksipada umumnya yang membawa molekul sitrat menuju oksigen yaitu penerima electron terakhir (terminal).

Rantai respirasi terdiridari serangkaian protein dengan gugus prostetik yang terikat kuat dan mampu menerima dan memberikan electron. Setiap anggota dapat menerima electron dari anggota sebelumnya dan memindahkan electron ke molekulanggota berikutnya, dalam urutan reaksi yang spesipik. Electron yang masuk dalam rantai transport electron kaya akan energi, tetapipoada saat elektron tersebut melalui rantai menuju oksigen dengan cara saetahap demi setahap, electron tersebut kehilangan kandungan energi bebasnya. Bbanyak dari energi tersebut yang disimpan dalam bentuk ATP  oleh mekanisme molekul pada membrane mitokondria sebelah dalam. Pada saat masing-masing pasangan electron melalui rantai respirasi dari NADH menuju oksigen , sintesistiga molekul ATP dari ADP dan pospat berlangsung bersama-sama. Ketiga bagian rantai respirasi yang memberikan energi untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif disebut sisi penyimpanan atau bagian penyimpanan energi.

2.     Transpor electron dan fosforilasi oksidatif terjadi pada membran mitokondria sebelah dalam

Pada sel eokariotik, hamper semua dehidrigenase spesipik yang diperlukan pada oksidasi pirupat dan bahan babkar lain melalui siklus  asam sitrat terletak pada bagian sebelah dalam mitokondria yaitu matriks. Molekul perpindahan electron dari rantai repirasi dan molekul enzim yang melakukan sintesa ATP dari ADP dan fosfat terbenam didalam membrane sebelah dalam. Bahan baker siklus asam sitrat seperti pirupat harus dipindahkan dari sitosol melalui membrane mitokondria kedalam bagian matriks disebelah dalam sebagai tempat aktifitas dehidrogenase. Demikin pula ADP yang terbentuk dari ATP selama aktifitas yang memerlukan energi didalam sitosol harus dipindahkan ke dalam matriks mitokondria untuk mengikat fosfat kembali menjadi ATP. ATP baru yang dibentuk harus dikembalikan ke sitosol. System transport membran yang khusus pada membrane mitokondria sebelah dalam tetapi juga masuknya fosfat dan ADP dan keluarnya ATP selama fosforilasi oksidatif. Jadi membrane mitokondria sebelah dalam merupakan struktur kompleks yang mengandung molekul pembawa electron, sejumlah enzim, dan beberapa system transport membran.

3.     Reaksi pemindahan electron merupakan reaksi oksidasi reduksi

Reaksi kimia yang melibtkan pemindahan electron dari satu molekul ke molekul lain disebut reaksi oksidasi-reduksi. Molekul pemberi electron pada reaksi tersebut disebut pereduksi  atau reduktor dan molekul penerima electron disebut pengoksidasi atau oksidator. Senyawa pereduksi dan pengoksidasi berfungsi sebagai pasangan reduktor-oksidator konjugat. Sama seperti asam dan basa yang berfungsi smpai pasangan  asam basa. Pada reaksi redok kita dapat menuliskan persmaan umum serupa :

                        Pemberi electron               e^- + penerima electron

Suatu contoh spesipik adalah reaksi

Fe²⁺                 e^- + Fe³⁺                 

Dengan ion fero (Fe²⁺) sebagai pemberi electron dan ion feri (Fe³⁺) sebagai penerima electron. Bersama-sama Fe²⁺ dan Fe³⁺ menyusun suatu pasangan redoks konjugat.

4.     Perubahan energi bebas menyertai perpindahan elektron

Elektron bisanya tidak akan mengalir dari satu pasangan redok ke pasangan redok yang lain kecuali terdapat suatu katalisator atau enzim untuk mempercepat proses, akan tetapi katalisator tidak akan mengubah arah aliran atau mempengaruhi kesetimbangan akhir yang tercapai. Pada keadaan ini, electron akan cenderung pindah dari pasangan redok konjugat yang bersifat relative lebih elektronegatif menuju penerima elktron yang lebih elektropositif. Maka electron juga akan cenderung mengalir dari pasangan redok sitokrom C menuju pasangan air oksigen.  Kecenderungan electron untuk mengalir dari system elektronegatif menuju system elektropositif merupakan akibt terjadinya energi bebas karena electron selalu cenderung bergerak kearah yang menurunkan energi bebas system pereaksi. Semakin besar perbedaan potensial baku diantara dua pasangan redoks, semkin besar kehilangan energi bebas pada saat electron pindah dari pasangan yang bersifat elektronegati menuju pasangan yang bersifat elektropositif.

5.     Energi transfor electron disimpn oleh fosforilasi oksidatif

 

Kita telah melihat adanyatiga bagian penyimpangan energi pada rantai transport electron yang memberikan energi yang diperlukan untuk membuat ATP dan ADP dan pospat didalam proses fosforilasi oksidatif pasangan electron yang berasal dari NAD pengikat yang dehidrogenase melalui ketiga sisi penyimpanan energi dan menghasilkan maksimum tiga ATP. Persamaan lengkap bagi transfor electron yang melakukan fosforilasi dari NADH ke oksigen adalah :

      NADH + H⁺ + ½ O₂ + 3P₁ + 3ADP                     NAD⁺ + 3ATP + 4H₂O

Akan tetapi bilamana suksinat terhidrogenasi oleh suksinat dehidrogenasi yang mengikat plafin hanya 2 ATP yang dibentuk bagi setiap pasangan electron yang mengalir ke oksigen. Hal ini karena pasangan electron dari suksinat masuk pada ubikuinon yakni pada titik setelah sisi 1.

Pasangan electron yang dihasilkan dari flapin pengikat dehidrogenase seperti lemak asetil KOA dehidrogenase pada siklus oksidasi asam lemak juga menghasilkan hanya 2 ATP. Fosforilasi oksidatif tidak terbatas pada dehodrogenase siklus asam sitrat, tetapi terjadi selama transport electron yang berasal dari semua dehidrogenase mitokondria yang mengkatalis katabolisme karbohidrat, asam lemak, dan asam amino.

6.     Bagaimana Energi Redoks dari transport electron dipindahkan ke ATP sintetase

            Sekarang kita sampai pada pertanyaan utama: bagaimana rantai transport electron bekerja sama dengan ATP sintetase untuk menghasilkan fosforisasi oksidatif ADP menjadi ATP? Ini telah menjadi satu diantara problem yang paling sulit dan menantang dalam penelitian biokimia dan sel. Walaupun sekarang kita mengetahui banyak tentang pemanfaatan energy ATP di dalam reaksi biosintetik. Kita masih belum mengetahui dengat tepat pada tingkat molekuler, bagaimana ATP dihasilkan selama fosforilasi oksidatif. Salah satunya adalah bahwa enzim yang terlibat di dalam transport electron dan fosforilasi oksidatif  amat kompleks dan enzim-enzim ini tertanam dalam membrane sebelah dalam mitokondria. Ini menyulitkan penelitian terperinci mengenai interaksinya. Terdapat tiga mekanisme berbeda yang telah dikemukakan bagi pemindahan energy di antara transport electron dan sintesis ATP.

Ada beberapahipotesis yang dikemukakan diantaranya sebagai berikut :

Ø  Hipotesis kaitan kimiawi mengemukakan bahwa transport elektron dikaitkan dengan sintesis ATP oleh serangkaian reaksi berurutan. Diini senyawa antara kovalen berenergitinggi dibentuk oleh transpor electron dan selanjutnya diuraikan dan memberikan energy untuk membuat ATP.

Ø  Hipotesis kaitan konformasi mengemukakan bahwa pemindahan electron disepanjang rantai respirasi menyebabkan suatu perubahan konfirmasi, komponen protein pada membrane sebelah dalam, untuk menghasilkan bentuk berenergi tinggi. Perubahan konformasi yang dihasilkan tersebut disampaikan kepada molekul F₀ F₁ ATP sehingga menyebabkan molekul ini berenergi.

Ø  Hipotesis kimia aswmotik yang  dikemukakan oleh ahli biokimia inggris peter mitchel, melibatkan prinsip-prinsip baru yang amat berbeda. Teori ini menganggap bahwa transport electron memompa H⁺ dari matriks melalui membrane dalam mitokondria menuju fase cair di sebelah luar. Jadi menghasilkan suatu gradient H⁺ disepanjang membrane dalam. Energi osmotic yang terkandung didalam gradient ini dianggap menarik sintesis ATP yang membutuhkan energi tersebut. Hipotesis ini nampaknya paling dekat untuk menerangkan prinsi-prinsip pengaturan fosforilasi oksidatif.

Mungkin masalah yang paling banyak diperdebatkan adalah cara bagaimana proses transport electron pada membrane dalam memompa H⁺ dari matriks mitokondria ke bagian luar. Mitchel telah mengemukakan suatu skema yang cerdik. Beliau mengemuikakan bahwa protein pembawa hydrogen dan pembawa electron secara bergantian membentuk tiga jalur ulang alik pada rantai respirasi. Pada setiap jalur dua atoma H⁺ dibawa keluar melalui membran dan dikeluarkan ke medium sebelah laur pasangan electron yang bersangkutan lalu dibawa kembali dari permukaan sebelah luar ke permukaan sebelah dalam. Setiap pasangan ekivalen pereduksi yang lewat melalui jalur ulang alik ini membawa dua H⁺ dari matrik ke medium sebelah luar. Setiap jalur ulang alik ini dipandang memberikan energi osmotic untuk membuat satu molekul ATP.

7.     Energi transfor electron bermanfaat bagi keperluan lain

Peranan utama tranfor electron pada mitokondria adalah uantuk memberikan energi bagi sintesis ATP selama fosforilasi oksidatif. Tetapi energi transfor electron dapat dipergunakan bagi keperluan biologi lainnya. Sebagai contoh, energi ini dapat dipergunakan untuk menghasilkan panas. Bayi, mamlia lainnya dilahirkan tanpa bulu (rambut), dan beberapa hewan yang hidup diudara dingin dilengkapi dengan sejenis jaringan lemak khusus yang disebut lemak coklat, pada lehernya dan bagian belakang atas. Fungsinya adalah untuk menghasilkan panas dari oksidasi lemak. Lemak ini berwarna cokelat karena kaya akan mitokondria, yang selanjutnya juga kaya akan sitokrom berwarna cokelat kemerahan. Mitokondria khusus pada jaringan ini biasanya  tidak membuat ATP. Sebaliknya mitokondria mempergunakan energi bebas dari tranfor electron ini sebagai panas untuk mempertahankan suhu tubuhS hewan kecil. Mitokondria lemak cokelat memiliki pori H⁺ khusus pada membrane sebelah dalam yang membiarkan H⁺ dari luar dipompa oleh transfor electron untuk kembali kedalam mitokondria dan bukan melalui F₀F₁ ATPase. Akibatnya energi bebas transfor electron dialirkan dari ATP sintesis kepada panas yang dihasilkan.

8.     Pembuatan ATP oleh fosforilasi oksidatif diatur oleh kebutuhan energi sel

Persamaan reaksi bagi oksidasi NADH oleh mitokondria memperlihatkan bahwa fosfat dan ADP seperti juga oksigen diperlukan bagi berlangsungnya transfor electron.

      NADH + H⁺ + 3Pi + 3ADP + ½ O₂                              NAD⁺ + 3ATP + 4H₂O

Pada saat terjadinya transfor electron fosfat dan ADP akan dipindahkan dari sitosol dan ATP akan bertumpuk. System ini akhirnya mencapai keadaan yang hamper semua ADP akan berubah menjadi ATP oleh fosforilasi oksidatif. Walaupun konsentrasi fosfat anorganik juga akan menjadi lebih rendah, fosfat biasanya berbeda pada konsentrasi yang lebih tinggi didalam sel dibandingkan dengan ADP. Jadi bilaman ADP didalam sitosol sudah amat terkuras, kecepatan konsumsi oksigen oleh mitokondria harus menurun sampai sebagian kecil dari kecepatan maksimum. Respirasi akan meningkat menjadi maksimum bilaman konsentrasi ADP didalam sitosol meningkat. Ini akan terjadi bilaman kecepatan reaksi beberapa proses yang memerlukan beberapa energi didalam sel meningkat jadi peningkatan kecepatan penguraian ATP menjadi ADP membuat ADP lebih banyak tersedia untuk difosforilasi selama transfor electron. Ketergantungan kecepatan konsumsi oksigen pada konsentrasi ADP sebagai senyawa penerima fosfat disebut control penerima pada resfirasi. Pada berbagai jaringan hewan dan manusia nisbah control penerima resfirasi atau nisbah kecepatan maksimum konsumsi oksigen yang induksi oleh ADP terhadap kecepatan istirahat sedikitnya 10. pada beberapa orang control penerima mengalami kelainan mungkin karena kelainan genetic sebagai akibatnya jaringan tubuh memperlihatkan kecepatan konsumsi oksigen yang tinggi pada setiap saat.

Salah satu cara untuk menyatakan status energi sel diberikan oleh nisbah aksi-massa system ATP yaitu nisbah :

[ATP]

[ADP][Pi]

Kita telah melihat bahwa enzim-enzim penting pengatur glikolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif bereaksi terhadap ATP dan ADP sebagai modulator. ATP adalah modulator penghambat dan ADP umumnya merupakan perangsang didalam katabolisme karbohidrat.

9.     Glokolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif memiliki mekanisme pengaturan yang saling melengkapi yang terencana

Pada metabolisme karbohidrat terdapat tiga tahap penghasil energi: glikolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif. Masing-masing demikian teratur oleh serangkaian kontrolnya sendiri sehingga tahap ini berlangsung pada kecepatan yang cukup untuk memenuhi kebutuhan sel dari menit ke menit terhadap produk tahap tersebut. Ketiga tahap terkoordinasi satu sama lain sehingga ketiganya berfungsi bersama-sama dengan cara ekonomis dan dengan mengatur diri sendiri.

Integrasi ketiga tahap ini dimungkinkan oleh mekanisme pengatur yang daling melengkapi. Kita melihat bahwa konsentrasi relative ATP dan ADP mengontrol bukan hanya kecepatan transfor electron dan fosforilasi oksidatif. Enzim-enzim pengatur glikolisis dan siklus asam sitrat juga berfungsi secara terlaksana. Bilaman ATP yang dihasilkan oleh fosforilasi oksidatif dan sitrat senyawa antara pertama dari siklus asam sitrat meningkat lebih tinggi dari keadaan normalnya. ATP dan sitrat melakukan penghambatan alusetrik secara terencana terhadap fosforuptokinase.