Fosforilasi Oksidatif - Jurusan Jamu Poltekkessolo

Oleh Zaenal Arifin S.Kep.Ns.M.Kes
Definisi
 Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan
ATP akibat transfer elektron dan NADH atau FADH2
ke O2 melalui serangkaian pengemban elektron (rantai
respirasi).
 Proses ini terjadi pada membran dalam mitokondria.
 Proses ini merupakan sumber utama pembentukan
ATP pada organisme aerob.
Manfaat biomedis
 Manusia hidup memerlukan energi.Energi ini tersedia
dalam bentuk ATP.
 Disfungsi rantai respirasi dapat menyebabkan sindrom
MELAS ( Mitokondrial Myopathy, Encephalopathy,
Lactacidosis dan Stroke).
Struktur dan fungsi mitokondria
 Mitokondria adalah organel yang ukuranya sebesar
bakteri (1 x 2 µm), terdapat pada hampir semua sel
eukariotik.
 Pada tiap sel dijumpai sekitar 2000 mitokondria.
 Mitokondria dilindungi oleh dua membran yaitu satu
membran mitokondria bagian luar dan satu bagian
dalam berlipat (krista).
lanjutan
 Membran bagian luar membentuk pori-pori yang
dapat dilewati molekul yg kecil dari 10 kDa.Membran
mitokondria bagian dalamtidak dapat dilewati
langsung hampir seluruh molekul kecuali O2, CO2 dan
H2O.
 Mitokondria sebagai pembangkit energi sel.
 Dimitokondria berlangsung proses perubahan piruvat
menjadi aetil-KoA,daur asam sitrat, rantai pernafasan
dan sintesis ATP ( bersama-sama dikenal sebagai
fosforilasi oksidatif).
Rantai Respirasi
 Mengumpulkan, mengangkut unsur equivalen
pereduksi (H+) dan memberikan pada reaksi akhir
yaitu oksigen untuk membentuk air.
 Transport elektron ini mengalirkan elektron dari
elektromagnetik ke sistem elektron yg memiliki Eo
lebih (elektropositip).
 Setiap anggota rantai respirasi bersifat spesifik
bagi senyawa pemberi dan penerima elektron,
misal NADH memindahkan elektron ke NADH
dehidrogenase, tetapi tak dapat memidahkan
elektron secara langsung ke sitokrom b atau
sitokrom c.
Bagan Rantai Respirasi
Asam amino
NH2
CO2
Piruvat
2H
asam lemak
CO2
2H
asetil KoA
2H
Oksaloasetat
Malat
2H
tahap I
sitrat
isositrat
2H
alpa ketoglutarat
CO2
2H
suksinil KoA
CO2
Fumarat
Suksinat
2H
GTP
NADH
2eADP + Pi
NADH dehidrogenase
2eATP
Ubiquinon
2eADP +Pi
Sitokrom b
2eSitokrom c1
ATP
2eSitokrom c
ADP +Pi
2eSitokrom oksidase
ATP
2e2H + 1/2O2
H2O
tahap II
tahap III
Rantai pernafasan
 Ada 4 kompleks :
 NADH-Q-reduktase (NADH-dehidrogenase).
 Suksinat-Q-reduktase, komplek ini yg tidak temasuk
pompa proton.
 Sitokrom reduktase
 Sitokrom oksidase
Komplek I NADH Dehidrogenase
 NADH + H+ + FMN
NADH
FMN
NAD+
FMNH2
FMNH2 + NAD+
Fe-S tered
Fe-S teroks
Q
QH2
lanjutan
 NADH dehidrogenase membran mitokondria sebelah
dalam hanya dalam menerima elektron dari NADH
dalam matrik, karena membran dalam tidak
permeabel terhadap NADH dari matrik maupun
sitosol sehingga NADH dari glikolisis di luar
mitokondria diperlukan sistem yg mengangkut
equivalen pereduksi sitosol (sistem ulang-aling
malat-aspartat).
lanjutan
 Equivalen pereduksi NADH sitosol pertama-tama
dipindahkan ke oksaloasetat sitosol,oleh malat
dehidrogenase sitosol menghasilkan malat.
 Malat yang terbentuk membawa equivalen
pereduksi diangkut melalui membran dalam oleh
sistem dikarboksilat.
 Equivalen pereduksi kemudian dipindahkan ke
NAD+ matriks oleh malat dehidrogenase pada
matriks, mereduksi NAD+ menjadi NADH.NADH
yg dihasilkan dioksidasi oleh rantai transport
elektron mitokondria.
lanjutan
 Oksaloasetat yg terbentuk tak dapat melalui
membran dari matriks kembali ke sitosol, tetapi
diubah oleh transaminase menjadi aspartat, yg
dapat melewati membran dg bantuan sistem
transport asam amino.
 Pada komplek I ini terpompa empat H+ dari
matriks ke sisi sitosol membran dalam
mitokondria.
 Mekanisme konversi potensial elektron menjadi
daya gerak proton belum diketahui.
Ubiquinon (Q=koenzim Q)
 Suatu kinon hidrofik yg berdifusi cepat di membran
dalam mitokondria.
 Ubiquinon juga membawa elektron dari NADH dan
FADH2
 Pembentuk lipid mitokondria
 Rumus bangun mirip vitamin K dan vitamin E
Kompleks II suksinat-Q-reduktase
 Dari daur asam sitrat pada oksidasi suksinat
menjadi fumarat oleh suksinat DH-ase (bag
komplek II). FADH2 tidak meninggalkan komplek.
Elektronnya ditransfer ke pusat Fe-S kemudian ke
Q (masuk ke rantai pernasan).
 Gliserol fosfat dehidrogenase dan asil ko A
dehidrogenase yg menstransfer elektron potensial
tinggi ke Q membentuk QH2 (Quinol, bentuk
tereduksi).
Lanjutan komplek II
 Komplek II tidak memompa proton karena perubahan
energi bebas dari reaksi yg dikatalisis terlalu kecil
Komplek III Sitokrom Reduktase
 Sitokrom merupakan protein pemindah elektron
yg mengandung hem sebagai gugus prostetik.
 Sitokrom reduktase ini mengandung sitokrom b1,
komplek Fe-S dan sitokrom c.
 Sitokrom tersusun dalam urutan potensial redoks
yg meningkat (b-c1-c-a3).
 Sitokrom b menerima elektron dari ubiquinon dan
sitorom c1 selanjutnya memberikan elektron yang
diterima ke sitokrom c.
Komplek
IV
sitokrom
oksidase
 Mengkatalisis transfer elektron dari ferositokrom c
(bentuk tereduksi) ke O2
4 sit c (+2) +4 H+ + O2
4 sit c (+3) + 2 H2O
 Sitokrom oksidase mengandung:
 2 gugus hem A yaitu hem a, hem a3
 2 ion tembaga yaitu CuA dan CuB.
Sitokrom oksidase mempunyai afinitas yg sangat tinggi
tehadap oksigen sehingga memungkinkan rantai
respirasi berfungsi dengan kecepatan maksimum
sampai jaringan kehabisan O2. Reaksi ini irreversibel
lanjutan
 Empat elektron dialirkan ke O2 untuk direduksi
sempurna menjadi 2 H2O dan secara bersamaan
proton dari matrik mitokondria dipompa ke sisi
sitosolmembran dalam mitokondria.
 Jika hanya 2 elektron yg dialirkan ke O2 hingga O2
hanya tereduksi sebagian maka produknya adalah
hidrogen peroksida (H2O2). Jika O2 menerima
hanya 1 elektron maka produk yang dihasilkan
radikal superoksida (O2-).
2O2 + 2H+ --------SOD---------- H2O2 +O2
2H2O2------------Katalase------- 2H2O + O2
Mekanisme Fosforilasi Oksidatif
 Hipotesis kimiawi sekarang kurang diyakini
kebenaranya.
 Teori kemiaosmotik dari mitcell.
Teori kemiaosmotik Mitcell
 Energi dari oksidasi komponen rantai respirasi
menghasilkan ion hidrogen (proton H+), yg
dipompakan keluar membran, yg digerakkan oleh
komplek rantai respirasi I,III dan IV sebagai
pompa proton. Hingga mengakibatkan perbedaan
potensial.
 Selisih perbedaan potensial terdiri dari potensial
elektrokimia (selisih PH) dan potensial listrik.
 Sehingga ruangan matrik sebelah dalam menjadi
basa dan medium lingkungannya menjadi lebih
asam.
lanjutan
 Terjadinya perbedaan potensial listrik sepanjang
membran dalam, karena pergerakan H+ dari matrik ke
luar menyebabkan daerah luar membran menjadi
lebih elektropositif dan daerah sebelah dalam bersifat
elektronegatif.F1, F0 sub unit protein mitokondria yang
menggunakan energi dari gradien proton untuk
meningkatkan fosforilasi.
Enzim ATP sintase yg berada dalam
membran membentuk ATP
 Selisih potensial elektrokimia yg digunakan untuk
menggerakkan enzim ATP sintase terdapat pada F,
yaitu sub unit membran dalam yg menjulur ke dalam
matrik.
 Enzim ini dengan adanya ADP + Pi diubah menjadi
ATP.
Zat yang menghambat fosforilasi oksidatif
A.Inhibitor rantai respirasi
1.Mencegah oksidasi subtrat yg berhubungan langsung
dengan rantai respirasi melalui enzim dehidrogenase
berikatan NAD dengan menyekat pemindahan dari Fe-S
ke Q yaitu:
a. Gol barbiturat: amobarbitol.
b. Antibiotik piesidin A.
c. Insektisida serta racun ikan rotenon.
lanjutan
2.Inhibisi komplah II
 Inhibitor kompetitif enzim suksinat dehidrogenase
malonat.
 Hambat pemindahan unsur ekuivalen pereduksi dari enzim
suksinat dehidrogenase ke Q yaitu: Karboksin dan TTFA
(Fe-chelating agent), menghambat rantai respirasi antara
sitokrom b dan c yaitu: dimerkaprol dan antimisin A.
Menghambat sitokrom oksidase dapat menghentikan
rantai respirasi secara total misal: H2S, CO dan Sianida.
Manusia yg keracunan ketela akan menghambat komplek
IV rantai pernafasan ini, karena ketela mengandung KCN.
lanjutan
B.Inhibitor fosforilasi oksidatif:
 Oligomisin: blokade proses fosforilasi pada F0 (Faktor
O).
 Atraktilosid hambat F0 yg menghambat pengangkutan
ADP ke dalam mitokndria dan ATP ke luar mitokondria.
C.Pemutus rangkaian (uncoupler).
 Memisahkan oksidasi rantai pernafasan dengan
fosforilasi (in vivo), sehingga membuat rantai respirasi
tak terkendali oleh karena konsentrasi ADP atau Pi
tidak lagi membatasi laju respirasi. Cotoh: 2,4
diklorofenol, dinitrokresol, pentaklorofenol.
lanjutan
 Kelainan didapat pada mitokondria
 Keracunan tempe bongkrek (asam bongkrek) inhibitor
dari adenine nucleotida transporter (ANT).
 ANT: protein tansmemban mitokondria yg berfungsi:
transpor ADP dari sitoplasma ke organel. Transpor ATP
dari mitokondria keluar.
Therapi
 Tergantung strategi metabolik by pass dengan cara
membuat jalan pintas. Cotoh: Myopathy
(defisiensi kompleks respirasi III). Terapi dengan
menadion dan vitamin C dosis tinggi yang
berfungsi sebagai akseptor elektron.
 Sindrom MELAS (mitokondria Myopathy,
Enchepalopaty, Lactacidosis dan Stroke). Terapi
dengan menukar mitkondria DNA cacat dengan
mitokondria DNA normal dengan cara nuclear
transfer, fertilisasi in vitro.
Wassalamualaikum
 Selamat belajar