Bioenergetika atau Termodinamika Biokimia

BAB I

PENDAHULUAN

A.                 LATAR BELAKANG

            Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Termodinamika adalah studi tentang perubahan energi yang terjadi di alam. Hukum pertama termodinamika berisi tentang konversi energi. Energi tidak dapat diciptakan ataupun di musnahkan. Energi hanya dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk lainnya.

Bioenergetika adalah studi tentang macam-macam variasi transformasi energi yang terjadi pada makhluk hidup. Sebuah sel hidup disibukkan oleh aktivitas. Semua jenis makromolekul dibentuk dari materi-materi kasar, produk buangan di produksi dan diekresikan, aliran petunjuk genetik dari nukleus ke sitoplasma, vesikel berpindah melalui jalur sekretori, ion dipompa melewati membran plasma dan masih banyak lagi.

Dalam reaksi metabolik, perubahan energi bebas juga terjadi. Dan salah satu reaksi kimia terpenting dalam sel yaitu proses hidrolisis ATP. Sel banyak melibatkan reaksi yang perubahan energi bebasnya bernilai positif dikarenakan konsentrasi relatif reaktan dan produk mempengaruhi keberlangsungan reaksi. Ratusan reaksi terjadi secara serentak dalam sel. Semua reaksi ini berlangsung bersamaan dengan reaksi-reaksi lainnya karena produk dari satu reaksi menjadi sebuah reaktan untuk reaksi selanjutnya pada waktu yang bersamaan dan hal itu terjadi secara terus-menerus dalam rangkaian reaksi metabolik.

Hidrolisis ATP digunakan untuk mengendalikan kebanyakan proses endergonik dalam sel. ATP dapat digunakan untuk bermacam-macam proses karena grup pada terminal fosfat dapat diubah menjadi banyak varietas molekul berbeda-beda, seperti asam amino, gula, lemak, dan protein.

Karena reaksi terus menuju keadaan kesetimbangan, energi bebasnya digunakan untuk melakukan kerja menuju keadaan minimum dan entropi naik menuju nilai maksimum. Metabolisme seluler adalah metabolisme non-kesetimbangan yang sangat penting. Ini bukan berarti bahwa beberapa reaksi tidak dapat terjadi pada saat kesetimbangan atau mendekati kesetimbangan dalam sel. Faktanya, banyak reaksi jalur metabolik terjadi saat mendekati kesetimbangan.

Prinsip dasar dari termodinamika adalah diterapkan pada benda tak hidup, sistem yang tertutup dalam kondisi kesetimbangan bolak-balik (reversibel). Sebaliknya, metabolisme seluler utamanya terjadi pada kondisi tidak bolak-balik (irreversibel), tidak pada kesetimbangan karena tidak seperti pada tabung tes reaksi, tetapi sel adalah sistem terbuka. Materi dan energi terus mengalir ke dalam sel dari pembuluh darah atau media kultural. Aliran kontinu dari oksigen dan materi lain ke dalam atau ke luar sel mengijinkan metabolisme seluler dalam keadaan tetap. Dalam keadaan tetap, konsentrasi dari reaktan dan produk relatif konstan, walaupun reaksi tidak mendekati kesetimbangan. Sel mampu mempertahankan keadaannya agar tetap stabil mengikuti perubahan keadaan lingkungan. Dalam kata lain, sel tetap dalam keadaan dinamik tidak dalam kesetimbangan, laju maju atau mundur suatu reaksi dapat meningkat atau turun secara langsung menurut respon dari perubahan lingkungan.

B.                 Rumusan Masalah

1.                 Apa yang di maksud dengan  bioenergetika ?

2.                Apa yang dimaksud dengan ATP ?

3.                Bagaimana peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan         pengalihan  energi pada energi bebas?

4.                Bagaimana proses fosforilasi oksidatif?

5.       Apa yang di gunakan Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan  untuk    mensintesa ATP  dari ADP dan Pi ?

6.               Apakah ada sejumlah senyawa  kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi oksidasi dan peristiwa fosforilasi ?

C.                 Tujuan

Adapun tujuan penulisan makalah ini, yaitu:

a.         Mengetahui pengertian dari  bioenergetika

b.         Mengetahui pengertian dari ATP

c.         Mengetahui peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan pengalihan energi pada energi bebas

d.        Mengetahui proses fosforilasi oksidatif?

e.         Mengetahui apa yang di gunakan Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan  untuk mensintesa ATP  dari ADP dan Pi ?

f.          Mengetahui apakah ada sejumlah senyawa  kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi  oksidasi dan peristiwa fosforilasi

D.                 Manfaat

Diharapkan dengan penulisan makalah ini, dapat bermanfaat bagi kita semua dalam memperluas pengetahuan dan menambah wawasan mengenai Bioenergetika dan hal-hal yang terkait di dalamnya.

                                                                                BAB II

PEMBAHASAN

I.       Pengertian Bioenergetika

Bioenergetika atau termodinamika biokimia adalah ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reksi bergerak dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yanng lebih rendah. Sebagian besar energi dilepaskan dalam bentuk panas. Pada sistem nonbiologik dapat menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya dan dapat diubah menjadi energi mekanik atau energi listrik. Sedangkan pada sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan.

Metabolisme = katabolisme + anabolisme

Katabolisme = pemecahan molekul bahan bakar (eksergonik)

Anabolisme = reaksi pembentukan suatu substansi (endergonik)

CONTOH REAKSI EKSERGONIK

•         Glikolisis: adalah proses perubahan Glukose → Asetil coA + ATP

•         Siklus Kreb: adalah proses perubahan  Asetil coA → H + ATP

•         Fosforilasi Oksidatif: hádala proses pereaksiaan antara H + O → H2O + energi, dan energi yang terbentuk digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP

CONTOH REAKSI ENDERGONIK

•         Sintesa: protein, enzim, hormon, antibodi

•         Kontaksi otot: gerak, nafas, jantung

•         Eksitasi saraf: berpikir

•         Transport aktif: pompa Na-K, reabsorpsi tubulus nefron

 Coupling reaction: penggabungan reaksi eksergonik & endergonik

Coupling reaction

1.                   Pembentukan senyawa antara: A+C à I à B+D

I = common obligatory intermediate (senyawa antara/ senyawa kaya energi)

2.                   Pembentukan senyawa kaya energi (~E)

Senyawa- senyawa kaya energi:

4 vitamin B penting untuk siklus asam sitrat dan metabolisme yang menghasilkan energi:

·         Riboflavin: dalam bentuk FAD, kofaktor untuk succinate dehidrogenase

·         Niacin: dalam bentuk NAD, akseptor elektron untuk isositrat dehidrogenase, alfa ketoglutarat dehidrogenase dan malate dehidrogenase.

·         Thiamin (vitamin B1): sebagai thiamin diphospatase, koenzim untuk alfa ketoglutarat dehidrogenase.

·         Pnathotenic acid: sebagai bahan dari koenzimA, kofaktor yang melekat pada carboxylic acid yang aktif seperti acetyl koA dan succinyl koA.

sumber utama ~P:

·         Fosforilasi oksidatif: sumber ~P terbesar pada organisme aerobik. Energi bebasnya dari intra mitokondrial respiratory chain dengan molekul O2.

·         Glikolisis anaerobik: menghasilkan 2 ~P dari reaksi yang dikatalisa enzim fosfogliserat kinase dan piruvat kinase

·         Siklus asam sitrat: menghasilka 1~P pada reaksi yang dikatalisa enzim suksinil tiokinase.

FOSFAGEN =  simpanan fosfat energi tinggi

Ø  Kreatin fosfat: di otot rangka, jantung, spermatozoa, dan otak vertebrata.

Ø  Arginin fosfat di otot invertebrata.

Untuk mempertahankan konsentrasi ATP dalam otot saat kontraksi otot.

A.    GAMBAR DARI STRUKTUR MOLEKUL ATP

Energi Kimia -> A.T.P

Ø  ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin, ribosa dan trifosfa

Ø  ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida.

Ø  Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi), atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (PPi).

HIDROLISIS ATP

FUNGSI ATP

ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan, -> menghubungkan aktivitas sel penghasil energi (eksergonik) dan aktivitas sel yang membutuhkan energi (endergonik).

Contoh: Reaksi Coupling

Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (DGº = +13,8 kj/mol.
-Agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (DGº = -30,5 kj/mol).

Rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase berlangsung dengan mudah dan sangat eksergonik (DGº = -16,7 kj/mol).

Kerja dari ATP

1. Kerja mekanis ATP

Ø  Ikatan ~P pada ATP diubah menjadi pergerakan dengan mengubah konformasi suatu protein, ex: serat otot yang berkontraksi.

Ø  ATP terikat pada head of miosin yang memiliki aktivitas ATP ase sehingga ATP dihidrolisis menjadi ADP dan Pi.

Ø  Jantung adalah spesialis transformasi energi kimia ATP menjadi kerja mekanis.

Ø  Tiap denyutan jantung tunggal memakai sekitar 2% ATP dalam jantung

Ø  Bila ATP dalam jantung tidak diperbaharui maka semua ATP akan habis terhidrolisis dalam waktu < 1 menit

Ø  Jantung memerlukan ATP dalam jumlah besar à pembentukan ATP jantung harus melalui fosforilasi oksidatif à tanpa O2 atau PO2 rendah, jumlah ATP yang diproduksi tidak cukup.

Ø  Aterosklerosis pada arteri kornaria à menghambat hantaran O2 ke sel otot jantung di distal sumbatan à sel ini tidak dapat menghasilkan ATP dalam jumlah adekuat à kematian sel (infark miokard)

2. Kerja transport ATP

v  Pada transport aktif, ikatan ~P pada ATP dipakai untuk memindahkan senyawa dengan melawan gradien konsentrasi.

v  Na-K ATP ase memakai ATP untuk memompa ion Na keluar dari sel.

3. Kerja biosintetik ATP

  Pembentukan ikatan peptida (sintesa protein), ikatan –C-C- (sintesa asam lemak), ikatan –C-N (sintesa urea). Ikatan –C-O- (sintesa triasil gliserol) semuanya memerlukan energi dari ATP.`

Enzim yang penting

a)      Adenilat kinase (miokinase): mengkatalisa interkonversi ATP serta AMP di satu pihak & ADP di lain pihak.

Reaksi ini memungkinkan 3 hal:

1. ~P dalam ADP untuk sintesa ATP

2. AMP mengalami fosforilasi ulang menjadi ADP dengan bantuan ATP

            3. Pada waktu ATP terpakai habis maka akan terjadi peningkatan konsentrasi AMP yang bertindak sebagai sinyal metabolik untuk meingkatkan kecepatan proses katabolik yang selanjutnya dihasilkan ATP lebih banyak

            b) Oksidasi biologi

     Oksidasi: pengeluaran elektron

     Reduksi: penerimaan elektron

     Proses oksidatif (donor elektron) selalu diikuti reduksi (akseptor elektron)

    Potensial redoks (EO`) = besarnya energi (volt) yang dibebaskan saat senyawa mendapatkan/ melepaskan elektron.

     Pada metabolik umumnya elektron dipindahkan dari senyawa dengan EO` rendah (lebih negatif) ke EO` tinggi (lebih positif)

     Makin negatif EO` suatu senyawa, makin besar energinya saat melepaskan elektron ke O₂.

     OKSIDOREDUKTASE= 4 kelompok enzim yang mengkatalisa proses redoks:

     1. Oksidase                                                             3. Hidroperoksidase

     2. Dehidrogenase                                                   4. Oksigenase

1)                  OKSIDASE

      Fungsi: mengkatalisis perpindahan hidrogen dari substrat ke O₂ sebagai akseptor.

      Hasil akhir: air (H₂0) atau hidrogen peroksida (H₂O₂)

      Yang mengandung Cu: sitokrom oksidase

      Yang mengandung Flavin Mono Nukleotida (FMN) atau Flavib Adenin Dinukleotida (FAD): L-amino acid oksidase, xanthine oksidase, aldehyde dehydrogenase, glukosa oksidase.

Sitokrom oksidase

§  Hemoprotein yang mempunyai heme prosthetic group = mioglobin, hemoglubin, dan sitokrom lain.

§  Merupakan komponen akhir rantai respirasi di mitokondria à transfer elektron dari oksidasi oleh enzim dehidrogenase ke O2

§  Toksin: Gas CO, sianida, dan hidrogen sulfida

§  FMN dan FAD dibentuk di dalam tubuh dari vitamin riboflavin

§  Metalloflavoprotein = flavoprotein yang mengandung 1/ > logam sebagai kofakataor essensial.

      Contoh:    

ü   L – amino acid oksidase: dengan FMN dalam ginjal mengkatalisa deaminase oksidatif asam L-amino.

ü   Xanthine oksidase: pada susu, usus halus, ginjal dan hati untuk konversi basa purin à asam urat.

ü   Aldehyde dehidrogenase: metalloflavoprotein dengan FAD pada hati mengkatalisa senyawa aldehid dan substrat N-heterosiklik.

ü   Glukosa oksidase: dengan FAD memperkirakan kadar glukosa.

2)                  DEHIDROGENASE

-                      Fungsi: Transfer hidrogen dari satu substrat ke substrat yang lain, komponen rantai respirasi untuk transport elektron dari substrat ke O2

-                      Terdiri dari: dehidrogenase dependent koenzim nikotinamide, dehidrogenase dependent riboflavin, sitokrom.

Dehidrogenase dependent koenzim nikotinamide

2 macam koenzim dari vitamin niasin:

1.  NAD+ : nikotinamide adenine dinukleotida

Dehidrogenase-NAD+ mengkatalisa metabolisme oksidatif khususnya glikolisis, siklus asam sitrat dan rantai respirasi mitokondria

2.  NADP+ : nikotinamide adenine dinukleotida phosphate

Dehidrogenase-NADP+ mengkatalisa sintesis reduktif (seperti: sintesa asam lemak), sintesa steroid dan pentose phosphate pathway.

.

Dehidrogenase dependent riboflavin

2 macam koenzim:

1.      FMN= Flavin mono nukleotida

2.      FAD= Flavin adenin dinukleotida

Contohnya:

ü  -NADH dehidrogenase: anggota rantai respirasi carrier elektron antara NADH dan kompone- komponen EO` lebih tinggi/ elektropositif (FMN)

ü  Succinate dehydrogenase, acyl CoA dehydrogenase, mitochondrial glycerol-3 phosphate dehidrogenase: mentransfer elektron langsung dari substrat ke rantai respirasi.

ü  Elektron-Transferring Flavoprotein (ETF): carrier elektron antara acyl-coA dehydrogenase dan rantai respirasi.

ü  Enzim dihidro-lipoil dehidrogenase: mengkatalisa dehidrogenase lipoat tereduksi yaitu produk antara dekarboksilasi oksidatif piruvat dan alfa ketoglutarat.

3)                  HIDROPEROKSIDASE

  2 jenis yaitu: peroksidase dan katalase

Fungsi: melindungi tubuh dari senyawa-senyawa peroksida yang berbahaya/untuk menangkal radikal bebas.

Akumulasi senyawa peroksidase à timbul radikal bebas à merusak membran sel à penyakit kanker dan aterosklerosi.

4)                  OKSIGENASE

Mengkatalisa penyatuan O2 ke molekul substrat dalam 2 tahap:

·                     Pengikatan O2 pada active site enzim

·                     O2 yang terikat direduksi/ ditransfer ke substrat

Dibagi 2 sub kelompok: dioksigenase dan monooksigenase

Kemudahan membentuk superoksida dan keberadaan superoksida dismutase, mengindikasikan adanya potensial toksisitas O2 karena perubahannya menjadi superoksida.

Superoksida dismute melindungi organisme aerobik dari efek buurk superoksida. Terdapat pada semua jaringan aerobik dalam mitokondria dan sitosol.

1.3               Energi Bebas dalam hukum termodinamika

Bioenergetika merupakan studi kuantitatif dari transformasi (perubahan) energi dan penggunaan energi dalam suatu sistem mahluk hidup. Energi adalah kapasitas untuk melakukan kerja. Semua mahluk hidup (Living cells) harus melakukan kerja untuk dapat hidup, tumbuh, dan berkembang. Selama jutaan tahun sel telah mengalami evolusi sehingga dapat menggunakan energi dengan lebih ekonomis dan efisien.
SEL berfungsi pada temperatur & tekanan konstan  (isotermal system).

Perubahan pada energi bebas merupakan bagian dari perubahan energi total pada sistem yang dapat melakukan pekerjaan, yaitu energi yang berguna dan dkenal dalam berbagai sistem kimia sebagai potensian kimia.

Organisme hidup mengubah energi yang diperolehnya  dari makanan untuk  berbagai tujuan seperti pemeliharaan sel, reproduksi dan berbagai  kerja baik fisik maupun kimia. Dalam banyak reaksi biokimia, energi dari reaktan diubah dengan sangat efisien menjadi bentuk yang berbeda. Dalam fotosintesa,  energi cahaya diubah menjadi energi  ikatan kimia. Dalam mitokondria, energi bebas  yang terkandung dalam molekul kecil dari bahan makanan diubah mnjadi suatu alat tukar energi dalam bentuk adenosin trifosfat ( ATP ). Energi ikatan kimia yang terkandung dalam ATP selanjutnya digunakan dalam berbagai cara dan tujuan. Dalam kontraksi otot, energi ATP diubah oleh miosin menjadi energi mekanik. Membran dan organel sel mempunyai pompa yang menggunakan ATP untuk transport molekul dan ion. ATP juga digunakan  untuk berbagai aktiviatas sel lainnya.

Bioenergetika atau thermodinamika biokimia menerangkan berbagai macam perubahan energi yang menyertai reaksi-reaksi biokimia. Energi bebas adalah bahagian energi total yang  dapat digunakan untuk kerja-kerja bermanfaat,  difungsikan berdasar hukum termodinamika pertama dan kedua.

Hukum atau Kaidah Termodinamika dalam Sistem Biologik

Kaidah pertama termodinamika:

Kaidah pertama ini merupakan hukum penyimpangan energi, yang berbunyi: “ Energi total sebuah sistem, termasuk energi sekitarnya adalah konstan ”. Ini berarti bahwa saat terjadi perubahan di dalam sistem tidak ada energi yang hilang atau diperoleh. Namun energi dapat dialihkan antar bagian sistem atau dapat diubah menjadi energi bentuk lain. Contohnya energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, panas, mekanik dan sebagainya.

Kaidah kedua termodinamika:

Kaidah kedua berbunyi: entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem (random). Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi  (ΔS), diungkapkan dalam persamaan:

ΔG = ΔH – TΔS

Keterangan: ΔH adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.

Di dalam kondisi reaksi biokimia, mengingat ΔH kurang lebih sama dengan ΔE, yaitu perubahan total energi internal di dalam reaksi, maka hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan:

ΔG =ΔE – TΔS

Jika ΔG bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas (reaksi eksergonik). Jika ΔG sangat besar, reaksi benar-benar berlangsung sampai selesai dan tidak bisa membalik (irreversibel).

Jika ΔG bertanda positif, reaksi berlangsung hanya jika memperoleh energi bebas (reaksi endergonik). Bila ΔG sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi. Bila ΔG adalah nol, sistem berada dalam keseimbangan dan tidak ada perubahan yang terjadi.

Peran senyawa fosfat berenergi tinggi dalam penangkapan dan pengalihan energi

Untuk mempertahankan kehidupan, semua organisme harus mendapatkan pasokan energi bebas dari lingkungannya. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses eksergonik sederhana, misalnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari, bakteri tertentu menggunakan reaksi Fe²⁺ à Fe³⁺. Sebaliknya organisme heterotrofik, memperoleh energi bebasnya dengan melakukan metabolisme yaitu pemecahan molekul organik kompleks.

Adenosin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa dan 3 gugus fosfat (lihat Gambar 3.1). Dalam reaksinya di dalam sel, ATP berfungsi sebagai kompleks Mg²⁺

               

                             

Gambar ATP diperlihatkan sebagai kompleks magnesium

Gambar ATP dan ADP

Energi bebas baku hasil hidrolisis senyawa-senyawa fosfat penting dalam biokimia tertera pada Tabel 3.1. Terlihat bahwa nilai hidrolisis gugus terminal fosfat pada ATP terbagi menjadi 2 kelompok. Pertama, fosfat berenergi rendah yang memiliki ΔG lebih rendah dari pada ΔG⁰ pada ATP. Kedua, fosfat berenergi tinggi yang memiliki nilai ΔG lebih tinggi daripada ΔG⁰ pada ATP, termasuk di dalamnya, ATP dan ADP, kreatin fosfat, fosfoenol piruvat dan sebagainya.

BIOENERGETIKA DAN FOSFORILASI OKSIDATIF

Bioenergetika atau termodinamika biokimia memberikan prinsip dasar untuk menjelaskan mengapa sebagian reaksi dapat terjadi sedangkan sebagian yang lain  tidak. Sejumlah sistem  non biologik dapat menggunakan energi panas  untuk melaksanakan kerjanya, namun sistem biologi pada hakekatnya bersifat isotermik dan memakai energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. Prinsip reaksi oksidasi reduksi  yaitu reaksi pengeluaran dan perolehan  elektron berlaku pada berbagai sistem biokimia dan merupakan konsep penting yang  melandasi pemahaman tentang sifat oksidasi biologi.

Ternyata banyak reaksi-reaksi oksidasi dalam sel hidup dapat berlangsung tanpa peran molekul oksigen. Mitokondria sebagai organella pernapasan sel, dikatakan demikian karena didalamnya berlangsung sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal  dari oksidasi dalam rantai pernapasan sel. Sistem dalam mitokondria yang merangkaikan respirasi dengan produksi ATP sebagai suatu zat antara berenergi tinggi dikenal dengan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif  memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dengan proporsi yang lebih besar bila dibandingkan dengan organisme an aerob.

                        Fosforilasi oksidatif yaitu proses perangkaian respirasi dengan produksi zat antara berenergi tinggi misal ATP yang terjadi di mitokondria. Pada kepentingan biomedis, hal ini berguna untuk mempelajari proses obat/racun yg dpt menghambat fosfolirasi oksidatif dan mempelajari kelainan bawaan (miopati,encepalopati, dll). Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumberenergi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak,pertumbuhan,dll. Respirasi terjadi di dalam mitokondria.

Rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif

                        Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dari substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob.

Proses fosforilasi oksidatif

                        Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD⁺) dan flavin adenin dinukleotida (FAD).

                        Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria (Gambar 3.7). Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan P_i dengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis.

NAD⁺                                                                                          FAD

Gambar Struktur kimia NAD⁺ dan FAD

Gambar Ringkasan proses fosforilasi oksidatif di dalam mitokondria

Rantai transport elektron membawa proton dan elektron, memindahkan elektron dari donor ke akseptor dan mengangkut proton melalui membran.

Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi oksidatif

Nama	Penyusun	kDa	Polypeptides
Kompleks I	NADH dehydrogenase (or) NADH-coenzyme Q reductase	800	25
Kompleks II	Succinate dehydrogenase (or) Succinate-coenzyme Q reductase	140	4
Kompleks III	Cytochrome C - coenzyme Q oxidoreductase	250	9-10
Kompleks IV	Cytochrome oxidase	170	13
Kompleks V	ATP synthase	380	12-14

Secara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing  kompleks I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V.

	Kompleks I NADH + H+ FMN Fe2+S CoQ NAD+ FMNH2 Fe3+S CoQH2
	Kompleks II Succinate FAD Fe2+S CoQ Fumarate FADH2 Fe3+S CoQH2
	Kompleks III CoQH2 cyt b ox Fe2+S cyt c1 ox cyt c red CoQ cyt b red Fe3+S cyt c1 red cyt c ox
	Kompleks IV cyt c red cyt a ox cyt a3 red O2 cyt c ox cyt a red cyt a3 ox 2 H2O Gambar 3.8 Tahap-tahap proses fosforilasi oksidatif

Gambar Tahap-tahap proses fosforilasi oksidatif

                        NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer  tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien proton pada  membran dalam mitokondria. Pembentukan ATP dalam glikolisis sempurna glukosa menjadi CO2 dan H2O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari proses fosforilasi oksidatif.   Komplek-komplek enzym yang terangkai pada membran dalam mitokondria untuk pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH2 ke oksigen molekuler dimana terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan.

Sejumlah ATP yang  dibentuk pada peristiwa fosforilasi  oksidatif dirantai pernapasan tidak begitu pasti karena stoikiometri pompa proton, sintesa ATP  dan proses transport metabolite tidak harus dalam jumlah bulat atau bernilai tetap. Menurut perkiraan saat ini, jumlah H+ yang dipompa dari matriks kesisi sitosol membran oleh Komplek enzym I, III dan IV per pasangan elektron, masing-masing adalah 4, 2 dan 4. Sintesa ATP digerakkan oleh aliran kira-kira tiga H+ melalui ATP sintase. Sedangkan untuk mengangkut ATP dari matriks kesitosol memerlukan satu H+ tambahan. Dengan demikian  terbentuk kira-kira 2,5 ATP sitosol akibat aliran sepasang elektron dari NADH ke oksigen. Untuk elektron yang masuk pada tahap komplek III, misalnya yang berasal dari oksidasi suksinat, hasilnya adalah kira-kira 1,5 ATP per pasangan elektron.   Kecepatan  fosforilasi  oksidatif ditentukan oleh  kebutuhan ATP.  Transport elektron terangkai erat dengan fosforilasi, elektron tidak mengalir melalui rantai  pernapasan ke oksigen bila tidak ada  ADP yang secara simultan mengalamifosforilasi menjadi ATP. 

Fosforilasi oksidatif memerlukan suplai NADH atau sumber elektron lain dengan potensial tinggi, oksigen, ADP dan ortofosfat. Faktor terpenting dalam  menentukan kecepatan fosforilasi  oksidatif adalah kadar ADP. Kecepatan konsumsi oksigen oleh mitokondria meningkat tajam bila ditambahkan ADP  dan kembali kenilai semula bila ADP yang ditambahkan sudah difosforilasi menjadi ATP. Pengaturan oleh kadar ADP ini disebut pengaturan respirasi. Kepentingan fisiologis mekanisme pengaturan ini jelas, kadar ADP meningkat bila ATP dipakai dan dengan demikian fosforilasi oksidatif terangkai  dengan penggunaan ATP. Elektron  tidak mengalir dari molekul bahan bakar kemolekul oksigen bila sintesa ATP tidak diperlukan. 

Berikut menunjukkan 5 kondisi yang mengontrol kecepatan respirasi mitokondria:

Status 1: tersedianya ADP dan substrat

Status 2: tersedianya substrat saja

Status 3: kapasitas rantai respirasi, bila substrat dan komponen lain terdapat dalam jumlah yang jenuh.

Status 4: tersedianya ADP saja

Status 5: tersedianya O2 saja dan proses yang memerlukan energi

Penghambat rantai respirasi:

1. Inhibitor rantai respirasi

-       Barbiturat (amobarbital) plerisidin A, insektisida, rotenon (racun ikan): menghambat transport elektron melalui complex I dengan memblok transfer dari Fe-S ke Q

-       Antimycin A dan dimercapol (BAL): menghambat pada complex III

-       H2S, karbon monoksida, dan sianida (HCN): mengahmba complex IV dan dapat menghentikan respirasi secara total.

-       Karboksin dan TTFA: menghambat transfer elektron pada complex II

-       Malonate: kompetitif inhibitor daari complex II

2. Inhibitor fosforilasi oksidatif

-       Atractioside: menghambat fosforilasi oksidatif dengan menghambat transporter ADP ke dalam dan ATP keluar mitokondria

3. Uncoupler fosforilasi oksidatif

-       Memisahkan oksidasi dan fosforilasi dalam rantai respirasi

-       Bersifat toksik, menyebabkan respirasi tidak terkontrol karena tidak lagi dibatasi oleh konsentrasi ADP dan Pi

contohnya: - 2,4 dinitrophenol (DNP), dinitrokresol, pentaklorofenol.

-   CCCP (m-klorokarbonil sianida fenil hidrazon)

-   Thermmogenin (the uncoupling protein)

-   Antibiotik oligomycin : memblok oksidasi dan fosforilasi secara total dengan memblok protein melalui ATP synthase

PROSES !

·           Siklus dimulai dengan reaksi antara sebagian acetyl dari acetyl coA dan 4-carbon dicarboxilic acid oksaloasetat, membentuk 6 carbon tricarboxylic acid dan citrate. Dalam reaksi berikut 2 molekul CO2 dilepas dan oksaloaseatat dihasilkan kembali. Hanya sedikit oxaloacetate yang dibutuhkan untuk oksidasi banyak acetyl co-A, dapat disebut mempunyai peranan katalitik.

·           Reaksi awal antara untuk membentuk citrate dikatalisa oleh citrate synthase, yang membentuk sebuah ikatan karbon-karbon antara methyl carbon dari acetyl koA dan carbonyl carbon dari oxaloasetat.

·           Oksaloasetat diisomerasasi menjadi isocitrate oleh enzim aconitase (aconitate hydratase); reaksi terjadi dalam 2 langkah yaitu rehidrasi menjadi cis aconitate dan rehidrasi menjadi isositrat. Fluoroacetate bersifat toksik karena berkondensasi dengan oxaloacetat untuk membuat fluorocitrate dengan menghambat aconitase, menyebabkan akumulasi citrate.

·           Citrate mengalami dehidrogenase yang dikatalisa oleh isocitrate dehidrogenase untuk awalnya membentuk oxalosuccinate, yang tetap terikat pada enzim dan mengalami dekarboksilase menjadi alfa ketoglutarat.

·           Alfa ketoglutarat mengalami dekarboksilasi oksidatif oleh alfa ketoglutarat dehydrogenase complex dengan  kofaktor thiamin diphosphatase, lipoate, NAD+, FADD, dan coA à menghasilkan pembentukan succinyl coA, arsenite menghambat reaksi ini, menyebabkan akumulasi substrat yaitu alfa ketoglutarat.

·           Succinil koA diubah menjadi succinate oleh enzim succinate thiokinase (succinil coA syntethase). Selanjutnya metabolisme succinate mengarah pada regenerasi oxaloasetat

·           Reaksi dheidrogenasi pertama, membentuk fumarat, dikatalisa oleh succinate dehydrogenasea

·           Fumarase (fumarate hydratase) mengkatalisa penambahan air pada ikatan ganda fumarate, menghasilkan malate.

·           Malate diubah menjadi oksaloasetat oleh malate dehidrogenase.

ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik

Proses  dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas
(eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksi-reaksinya memerlukan energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan  bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam proses anabolisme.

Untuk merangkaikan  kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada senyawa antara dengan potensial energi  tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik dan menyatukan senyawa yang  baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga energi bebasnya  dialihkan antara dua  proses tersebut. Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan  yang  bereaksi.  Dalam sel  hidup, reaksi oksidasi yang  melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi  yang membentuk senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi tinggi yang utama adalah ATP .

ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan trifosfat . Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Sebagai pengemban energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya  mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Sejumlah besar  energi bebas dilepaskan ketika  ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan  pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan  menjadi reaksi yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam  lintasan glikolisis  yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (tGº = +  13,8 kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tGº = - 30,5 kj/mol ) sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut  berlangsung dengan mudah dan sangat eksergonik (tGº = - 16,7 kj/mol ).

Konversi antar ATP,  AMP dan ADP adalah mungkin. Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ⇔ ADP + ADP. Reaksi ini mempunyai fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi  dalam ADP untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi yang melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi  katabolik (menghasilkan ATP). Beberapa reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat
kinase seperti reaksi-reaksi ATP + GDP ⇔ ADP + GTP dan ATP + GMP ⇔ ADP + GDP.

Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi. Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1, 3 bifosfogliserat, asetil fosfat  dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat  yang lebih tinggi dari ATP, hal ini berarti senyawa-senyawa  tersebut dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Potensial transfer fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting secara biologis seperti glukosa 1 fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol 3 fosfat lebih rendah dari ATP. Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul terfosforilasi tersebut, memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil.

ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi  dan ikatan fosfoanhidridanya disebut  sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawa-senyawa  tinggi energi adalah senyawa yang  banyak  melepaskan enegi bebas ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P  dan menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber utama ~ P yang mengambil bagian dalam  penangkapan energi yaitu peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk  menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua  ~ P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu ~  P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A menjadi suksinat. Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein pembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa dan fosforibosil.1.pirofosfat.
 
Reaksi  oksidasi molekul bahan bakar  dimana NADH dan  FADH₂ adalah pengemban elektron utama 

Kemotrop  memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, seperti glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari molekul bahan bakar atau dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat yang dioksidasi memindahkan elektronnya kepengemban-pengemban khusus  yaitu nukleotida piridin atau flavin. Pengemban yang tereduksi ini kemudian memindahkan elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai pernapasan yang terdapat pada sisi dalammembran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron dalam  rantai  pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan ortofosfat ( Pi ). Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi sumber utama ATP pada organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang berasal dari oksidasi  molekul bahan bakar dapat digunakan  pada reaksi-reaksi biosintesa yang memerlukan daya pereduksi.

Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD⁺) adalah pengemban elektron  utama pada oksidasi molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD⁺ adalah cincin nikotinamidnya, suatu derivat  piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid NAD+ menerima satu ion hidrogen dan dua elektron, yang ekivalen dengan satu ion hidrida(H^-). Bentuk  tereduksi pengemban ini disebut NADH. Pada  dehidrogenasi diatas, satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke NAD⁺, sedangkan  yang lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang dilepaskan oleh substrat dipindahkan kecincin nikotinamid.  Pengemban elektron utama lainnya pada oksidasi molekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk tereduksinya adalah FADH₂. Bagian reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD,  seperti juga NAD⁺, dapat menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD+, FAD mengambil proton dan juga ion hidrida. 

Elektron dari NADH sitosol

Membran dalam mitokondria tidak  permeabel terhadap NADH dan NAD⁺. NADH  yang terbentuk  pada glikolisis disitosol, pada oksidasi gliseraldehid 3-fosfat, harus dioksidasi kembali menjadi NAD⁺ untuk kelangsungan glikolisis. Bagaimana NADH sitosol dapat dioksidasi melalui rantai pernapasan bila tidak dapat masuk kemitokondria? Pemecahannya adalah elektronnya saja yang dibawah melintasi membran mitokondria. Salah satu pembawa  adalah gliserol 3-fosfat yang  dapat menyebrangi membran luar mitokondria. Langkah pertama dalam sistem  ini adalah pemindahan elektron  dari NADH ke dihidroksiaseton fosfat  membentuk gliserol 3-fosfat yang dikatalisa oleh gliserol 3-fosfat dehidrogenase. gliserol 3-fosfat berdifusi kedalam mitokondria dan dioksidasi kembali  menjadi dihidroksiaseton fosfat pada permukaan luar membran dalam mitokondria. Sepasang elektron  dari gliserol 3-fosfat ditransfer  kegugus prostetik gliserol  dehidrogenase mitokondria. Enzym ini berbeda dengan enzym serupa yang ada  disitosol, karena menggunakan FAD dan bukan NAD sebagai akseptor elektron  selain  itu juga merupakan  protein transmembran. Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk  kemudian berdifusi kembali kedalam sitosol untuk melengkapi sistem angkut ini. Flavin tereduksi dalam mitokondria memindahkan elektronnya  kepembawa elektron Q dan masuk rantai pernapasan dalam bentuk QH2. Akibatnya hanya terbentuk 1,5 ATP dan bukan 2,5 ATP bila NADH sitosol yang dioksidasi dalam rantai pernapasan diangkut oleh gliserol 3-fosfat. Penggunaan FAD memungkinkan  elektron dari NADH sitosol ditranspor kedalam mitokondria melawan gradien konsentrasi  NADH  , walaupun untuk itu  , sistem angkut ini harus merugi satu ATP dibanding bila sistem menggunakan NAD+.  Sistem angkut ini terutama berperan pada otot terbang serangga yang dapatmempertahankan kecepatan fosforilasi oksidatif yang sangat tinggi . Dalam jantung dan  hati, elektron  dari NADH sitosol dibawa kedalam mitokondria melalui  sitem angkut malat-aspartat, yang  menggunakan dua penggemban membran dan empat enzym.  Diawali dengan transfer elektron dari NADH sitosol ke oksaloaetat, membentuk malat, yang kemudian melintasi membran dalam mitokondria dan dioksidasi kembali melalui NAD+ dalam matriks mitokondria membentuk NADH. Karena oksaloasetat  yang dibentuk tidak mudah melintasi membran dalam mitokondria, diperlukan  reaksi transaminasi untuk membentuk aspartat, yang  dapat diangkut kesisi  sitosol. Berbeda dari sistem angkut gliserol fosfat ,  NADH hanya  dapat dibawa kedalam mitokondria  bila ratio NADH / NAD+ disitosol lebih tinggi dari pada dimatriks mitokondria. 

Protein pengangkut dalam mitokondria 

Mitokondria merupakan organel yang berbentuk lonjong, biasanya dengan panjang kurang lebih dua mikrometer  dan diameter setengah mikrometer. Mitokondria mengandung susunan rantai  pernapasan, enzym-enzym siklus asam sitrat dan  enzym-enzym oksidasi asam  lemak. mitokondria memiliki dua sistem membran, membran luar dan membran dalam yang luas dan berlipat-lipat. Lipatan-lipatan pada membran dalam disebut  krista. Dua kompartemen  dalam mitokondria
yaitu ruang antar membran (ruang antara  membran dalam dan membran luar mitokondria) dan matriks yang  dibatasi membran dalam. Kedua sisi membran dalam disebut sisi matriks (sisi negatif) dan sisi sitosol (sisi positif) karena potensial membran antara dua sisi tersebut.  Sisiruang antar membran dikatakan sisi sitosol karena dapat dicapai oleh hampir semua molekul kecil dalam sitosol.  

ATP dan ADP tidak berdifusi bebas melintasi membran dalam mitokondria. Suatu protein transport spesifik, ATP-ADP translokase (pembawa adenin nukleotida), memungkinkan molekul yang tinggi muatan  ini menyebrangi sawar permeabilitas membran dalam mitokondria. Aliran ATP  dan ADP terangkai secara antiport, ADP masuk matriks bila ATP keluar matriks mitokondria, dan sebaliknya. Pertukaran ATP-dihasilkan pada transfer elektron melalui rantai pernapasan.  Beberapa protein pengangkut atau pengemban mitokondria lain untuk ion dan metabolite bermuatan bekerja dengan cara simport dan antiport. Pengemban fosfat, bekerja bersama dengan translokase ATP-ADP, menyebabkan pertukaran antara Pi (sebagai ion H2PO^4-) dengan OH- atau simport dari Pi dan H⁺. Kerjasama kedua pengangkut ini, menyebabkan pertukaran  ADP dan Pi sitosol dengan ATP matriks, disertai masuknya satu H+. Pengemban dikarboksilat, memungkinkan malat, suksinat dan fumarat dikeluarkan dari mitokondria secara antiport dengan Pi. Pengemban
trikarboksilat, mengangkut sitrat dan satu proton masuk mitokondria secara antiport dengan malat. Pengemban piruvat, membawa masuk piruvat dari sitosol kematriks mitokondria secara simport dengan H⁺ atau secara antiport dengan OH^-. Pengangkut α ketoglutarat, membawa masuk   α ketoglutarat secara antiport dengan malat. Protein-protein pengangkut mitokondria ini dan lebih dari lima yang lainnya mempunyai struktur yang sama. Membran  dalam mitokondria bersifat permeabel bebas terhadap molekul kecil yang tidak bermuatan, seperti air, oksigen, CO2, dan asam monokarboksilat (seperti 3-hidroksibutirat,  asetoasetat, dan asetat ), sedangkan asam lemak rantai panjang  masuk mitokondria dengan pembawa karnitin. 

Kreatin fosfat mengangkut fosfat energi tinggi Gerakan ulang alik kreatin fosfat memungkinkan pemindahan cepat fosfat energi tinggi dari mitokondria kesitosol. Gerakan ini menguatkan fungsi kreatin fosfat sebagai pendapar energi dengan bekerja  sebagai suatu  sistem yang dinamis untuk pemindahan fosfat energi tinggi  dari mitokondria pada  jaringan yang aktif seperti otot jantung dan otot skelet. Jumlah ATP  pada otot  hanya mencukupi untuk menopang aktivitas produksi selama kurang dari satu detik. Otot vertebrata mengandung gudang  fosfat energi tinggi dalam bentuk kreatin fosfat (fosfokreatin), yang dapat dengan mudah mentransfer fosfat energi tingginya ke ADP membentuk ATP. Kreatin fosfat mempertahankan  konsentrasi ATP  tinggi selama periode kerja otot.  Kreatin  kinase  yang  ada  pada ruang  antar membran mitokondria, mengkatalisa pemindahan fosfat energi tinggi dari ATP kepada kreatin. Selanjutnya, kreatin fosfat yang terbentuk diangkut kesitosol melalui porin (pori-pori protein) yang terdapat pada membran luar mitokondria. Isozym kreatin kinase yang berbeda mengantarai pemindahan fosfat energi tinggi ke dan dari berbagai sistem yang menggunakan atau menghasilkannya. CKa, kreatin kinase yang bertanggung jawab terhadap kebutuhan ATP yang besar, seperti kontraksi otot. CKc, kreatin kinase untuk mempertahankan keseimbangan antara kreatin dan kreatin fosfat, juga keseimbangan ATP dan ADP.  CKg, kreatin  kinase yang  menggabungkan glikolisis pada kreatin untuk sintesa kreatin fosfat. Dan CKm, kreatin kinase mitokondria yang memperantarai pembentukan kreatin fosfat dari ATP yang terbentuk melalui fosforilasi oksidatif. Kreatin fosfat + ADP  + H+  ⇔ ATP +  kreatin, energi bebas standart  hidrolisa kreatin fosfat adalah –10,3 kkal/mol, dibandingkan dengan hidrolisa ATP yang –7,3 kkal/mol maka,  perubahan energi bebas standart  pada pembentukan ATP dari kreatin fosfat adalah –3 kkal/mol. Potensial  transfer fosforil kreatin fosfat yang lebih tinggi dari ATP, menyebabkan kreatin fosfat  menjadi dapar fosfat energi tinggi yang sangat efektif. 

BAB IV

PENUTUP

I.                   Kesimpulan

      Adapun kesimpulan dari makalah ini antara lain :

1.                  Reaksi berlangsung spontan bila  terjadi pelepasan energi bebas (tG  negatif) yaitu reaksi tersebut bersifat eksergonik, dan jika  tG  positif, reaksi hanya berlangsung bila diperoleh energi bebas, reaksi ini bersifat endergonik. 

2.                  ATP adalah zat  perantara penukar energi bebas, yang  merangkaikan proses-proses yang bersifat eksergonik dengan proses-proses yang bersifat endergonik. 

3.                   Enzym oksidase dan dehidrogenase memiliki  peran utama dalam proses rantai
pernapasan.

4.                  Komplek-komplek enzym dalam rantai pernapasan  menggunakan potensial energi dari gradien proton untuk mensintesa ATP  dari ADP dan Pi. Dengan demikian  jelas terlihat bahwa rangkaian  reaksi oksidasi  terangkai erat dengan fosforilasi. 

5.                  Terdapat sejumlah senyawa  kimia yang dapat menghambat rangkaian reaksi
oksidasi dan peristiwa fosforilasi atau memutus rangkaian oksidasi dan fosforilasi.

6.                  Terdapat protein pengangkut khusus  untuk perlintasan beberapa ion dan
metabolit pada membran mitokondria.  

II.                Saran

                        Dalam pembahasan makalah ini, seharusnya kita tidak hanya membaca saja seharusnya lebih mendalami materi yang dibahas. Karena materi Bioenergetika perlu dipelajari lebih dalam, karena ini menjadi bekal kita untuk lebih mengetahui  keterkaitan Bioenergetika dalam tubuh makhluk hidup dan bersangkutan dengan pelajaran MIPA khususnya Kimia.

DAFTAR PUSTAKA

http://www.biology.arizona.edu\biochemistry, 2003, The Biology Project-Biochemistry

http://www.bioweb.wku.edu\courses\BIOL115\Wyatt, 2008, WKU Bio 113 Biochemistry

http://www.en.wikipedia.org, 2008, Oxidative Phosphorylation

http://www.gwu.edu\_mpb, 1998, The Metabolic Pathways of Biochemistry, Karl J. Miller

http://www.ull.chemistry.uakron.edu\genobc, 2008, General, Organic and Biochemistry

http://www.wiley.com\legacy\college\boyer\0470003790\animations\electron_transport, 2008, Interactive Concepts in Biochemistry: Oxidative Phosphorylation

Allen, J.P., 2008.  Biophysical Chemistry. 1^st Ed. John Wiley & Sons, Ltd. Publish. Singapore.

Champe P C PhD, Harvey R A PhD. Lippincott’s Illustrated Reviews:  Biochemistry 2nd.1994 : 61 – 72  

Lehninger  A, Nelson D, Cox M M. Principles of Biochemistry 2nd 1993 : 364 – 394

Lehninger. 1982. Dasar-Dasar Biokimia, Jilid 2. (Terjemahan: Maggy Thenawijaya). Penerbit: Erlangga. Jakarta.

Mathew, C.K., and Van Halde. 1996. Biochemistry. 2^nd Ed. The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc. California.

Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW, 2003, Biokimia Harper, Edisi XXV, Penerjemah Hartono Andry, Jakarta: EGC  

Stryer L, 1996, Biokimia, Edisi IV, Penerjemah: Sadikin dkk (Tim Penerjemah Bagian Biokimia FKUI),  Jakarta: EGC