BAB 10. TRANSFER ELEKTRON

Transkripsi

1 BAB 10. TRANSFER ELEKTRON Membran sel prokariota mempunyai fungsi yang luas. Selain sebagai pintu keluar-masuknya senyawa dan nutrien, membran sel juga berfungsi sebagai organela bermembran seperti organela bermembran eukariota. Proses pembentukan energi baik secara respirasi maupun fotosintesis berlangsung di membran sel prokariota. TEORI KEMIOSMOSIS Teori kemiosmosis menyatakan bahwa proton dipindah keluar sel oleh reaksi eksergonik (penghasil energi). Perpindahan proton meninggalkan muatan negatif di sitoplasma, sehingga menghasilkan potensial membran (dalam negatif dan luar positif). Perpindahan proton juga menghasilkan gradien konsentrasi proton (di luar lebih pekat daripada di dalam sel). Ketika proton kembali ke dalam sel menuruni gradien konsentrasi dan menuju kutub negatif, maka dihasilkan energi untuk kerja seluler (Gambar 10.1). Gambar 10.1 Arus proton. Pompa proton (1) dapat memindahkan proton dari dalam ke luar sel ketika disuplai energi dan proton kembali ke dalam sel melalui kanal/transportir proton (2) dan menghasilkan energi yang dapat dipakai untuk kerja flagela dan sintesis ATP. Menurut Gambar 10.1 dapat dianalogikan bahwa membran merupakan batere. Reaksi 1 merupakan charging membran, sedangkan reaksi 2 merupakan kerja membran. Reaksi 1 termasuk reaksi redoks pada sistem transfer elektron (Gambar

2 10.2:1) atau hidrolisis ATP (Gambar 10.2:7). Reaksi 2 termasuk pompa keluar ion natrium (Gambar 10.2:2), pergerakan flagela (Gambar 10.2:6), dan transportasi solut (Gambar 10.2:4 dan 5). Mitchel menekankan bahwa membran harus mempunyai permeabilitas rendah terhadap proton, sehingga jalur masuk proton melalui transportir proton dikopling dengan dengan pembentukan energi daripada melalui celah atau porin. Gambar 10.2 Arus proton dan natrium secara umum terjadi di membran sel bakteri. 1: uniport H +, 2: uniport Na +, 3: antiport H + /Na +, 4: simport Na + /S (solut), 5: simport H + /Na +, 6: perpindahan H + dikopling dengan dengan kerja flagela, 7: pompa H + dikopling dengan dengan hidrolisis ATP dan arus masuk H + dikopling dengan dengan sintesis ATP. ENERGI ELEKTROKIMIA PROTON Ketika proton berpindah ke luar, terdapat sejumlah energi yang tersimpan dalam gradien konsentrasi proton. Energi pada gradien konsentrasi proton dalam bentuk kimia dan listrik. Energi listrik timbul, karena terdapat perbedaan muatan (di luar lebih positif). Ketika proton kembali ke dalam, energi listrik menghilang. Energi kimia timbul, karena adanya perbedaan (gradien) konsentrasi proton. Ketika proton kembali ke dalam, energi kimia hilang ditransfer ke kerja seluler. Jumlah perubahan energi listrik dan kimia disebut energi elektrokimia. Simbol energi elektrokimia adalah, di mana seimbang antara in- out. Satuan energi elektrokimia adalah Joule per mol atau kalori per mol.

3 Gaya Pergerakan Proton Kinerja elektrokimia yang dilakukan ketika ion melewati membran, merupakan fungsi potensial membran ( ) dan gradien konsentrasi senyawa yang dipisahkan membran. Misalnya 1 mol proton mampu menghasilkan energi elektrokimia sebesar + H = F + RT ln (H in/h out). Persamaan ini menghasilkan satuan energi elektrokimia, yaitu Joule, tetapi satuan energi elektrokimia dapat diubah menjadi potensial listrik, yaitu milivolt (mv): H+ /F= - 60 ph mv (pada 30 C) H+ /F disebut proton motive force atau gaya pergerakan proton dan disimbolkan p, sehingga persamaan menjadi: p= - 60 ph mv (30 C) Persamaan ini berlaku baik untuk proton maupun kation lainnya (misalnya Na + ) yang dapat menghasilkan energi elektrokimia. Bakteri mempunyai nilai rata-rata p sekitar 140 sampai 200 mv. Nilai p saat respirasi lebih tinggi daripada saat fermentasi. Menciptakan Potensial Membran Potensial membran dapat diciptakan ketika proton berpindah ke luar membran, sehingga meninggalkan muatan negatif di sebelah dalam dan menambah muatan positif di luar. Potensial membran dapat diciptakan dengan mengoksidasi molekul di luar membran, sehingga menghasilkan muatan positif di luar. Kapasitas potensial membran tergantung kapasitas membran itu sendiri (tergantung seberapa banyak titik-titik yang mampu memindahkan proton). Ketika proton berpindah, dan ph tidak dapat secara simultan diciptakan. Meskipun prokariota tidak dapat menciptakan dan ph pada proton yang sama, dia dapat menghasilkan ketika terjadi perpindahan proton dan mengubahnya menjadi ph. Misalnya diciptakan ketika terjadi perpindahan proton. Kation seperti K + mungkin masuk ke dalam sel, sehingga hal ini mengurangi potensial membran dan potensial membran diubah menjadi ph. Hal sebaliknya dapat terjadi, yaitu ph dapat diubah menjadi. Pada prokariota neutrofil memberi kontribusi 60-70% terhadap p. Hal ini karena pada prokariota neutrofil terjadi perpindahan proton, sehingga menghasilkan. Karena tidak ada atau sedikit terjadi perbedaan ph, maka ph hanya memberi kontribusi sebesar 20-30%.

4 Pada prokariota asidofil terdapat perbedaan ph (3-5 ), ph memberi kontribusi sebesar 80-90%. Misalnya ph di dalam sel adalah 6,5 dan ph di luar sel adalah 2, ph=4,5 dan = +10 mv. p= - 60 ph mv p= x 4,5 mv p= p= -260 mv. Pemanfaatan p Gaya pergerakan proton ( p) menyediakan energi bagi fungsi membran sel. Berikut ini beberapa fungsi membran sel yang memanfaatkan p. (1) Pengambilan molekul terlarut (solut) dari luar ke dalam sel. (2) Ketika proton kembali melalui konduktor proton, konduktor itu dikopling dengan (di-pasangan-kan) dengan sistem transportasi solut masuk ke dalam. Nilai p sebesar 180 mv mampu mentransport 10 3 gradien konsentrasi solut. (3) Sintesis ATP melalui ATPsintase. F 0-F 1ATPsintase terdiri dari 2 bagian, yaitu kanal F 0 yang membentang di membran sel dan F 1ATPsintase yang terikat di membran sel dan menghadap ke sitoplasma (Gambar 10.3). Proton harus masuk ke kanal F 0. Ketika proton melewati kanal tersebut, ATP disintesis dari ADP + P i di F 1ATPsintase. Pada E. coli subunit F 1ATPsintase terdiri dari 5 polipeptida berbeda, sedangkan F 0ATPsintase terdiri dari 3 polipeptida berbeda. Gambar 10.3 Gambar struktural F 0-F 1ATPsintase

5 Mekanisme Sintesis ATP Melalui ATP sintase Mekanisme sintesis ATP melalui ATPsintase adalah sebagai berikut. Subunit F 1 memiliki 3 area penangkapan [ADP + P i]. Pada kondisi awal subunit F 1 sudah menangkap 1 [ADP + P i]. Ketika terjadi pergerakan proton ( p) dari dalam ke luar, maka 1 [ADP + P i] dari sitopalsma terikat pada subunit F 1. Pada waktu proton masuk ke kanal F 0, 1 [ADP + P i] diubah menjadi ATP. Proton bergerak menuju subunit F 1, maka terjadi perubahan konformasi subunit F 1, sehingga ATP dilepas (Gambar 10.4). Gambar 10.4 Mekanisme pengikatan ADP + P i dan pelepasan ATP. Penelitian pada arkhaea Methanosalus zhilinae menunjukkan ada kanal lain untuk sintesis ATP selain F 0F 1ATPase, yaitu E 1E 2ATPase. Aktivitas sintesis ATP oleh F 0F 1ATPase dihambat oleh DCCD (N.N disikloheksilkarbodiimida), tetapi aktivitas sintesis ATP oleh E 1E 2ATPase dihambat vanadat. REAKSI PENGHASIL p Sebagian besar p dihasilkan oleh reaksi redoks respirasi pada membran sel, hidrolisis ATP, dan fermentasi. Reaksi Redoks Reaksi redoks terdiri dari 2 bagian, yaitu oksidasi (kehilangan elektron atau proton) dan reduksi (mendapat elektron atau proton). Reaksi redoks dapat berlangsung

6 secara berantai (lebih dari 1 reaksi redoks). Jika reaksi redoks berlangsung dari reaksi redoks bernilai E ox/red negatif (donor) ke reaksi redoks bernilai E ox/red lebih positif (akseptor), maka dihasilkan p. Reaksi redoks juga dapat berjalan bolak-balik Hidrolisis ATP Hidrolisis ATP dapat menghasilkan p, jika terjadi di ATPsintase. Hal ini karena kanal F 0-F 1ATPsintase dapat dilewati proton dari 2 arah. Antiport Dikarboksilat dan Hasil Dekarboksilasinya Banyak produk fermentasi berupa senyawa karboksilat yang merupakan hasil dekarboksilasi dikarboksilat (Gambar 10.5). Salah satu contoh antiport dikarboksilat dan hasil dekarboksilasinya adalah pertukaran oksalat format. Gambar 10.5 Proses dekarboksilasi dikarboksilat yang dikopling dengan dengan pembentukan p. Asam dikarboksilat masuk dalam bentuk anion divalen (A), atau anion monovalen (B). Sintesis ATP (C) melengkapi arus proten pada proses dekarboksilasi dikarboksilat. Pada Oxalobacter formigenes (bakteri anaerob) mengambil oksalat dari luar (Gambar 10.6). Di dalam sel oksalat didekarboksilasi menjadi format (monokarboksilat). Kemudian, format ditransportasi ke luar, sehingga terjadi perbedaan potensial membran (di dalam sel bertambah 2- tetapi di kembalikan ke luar 1- dan di dalam lebih negatif). Pertukaran oksalat format terjadi melalui protein transportir (antiport). Ketika oksalat masuk ke dalam maka sel melakukan kopling transportasi (antiport) dengan keluarnya format. Kemudian, oksalat didekarboksilasi menjadi format

7 dan CO 2 (dan mengkonsumsi proton), sehingga tercipta p. Format yang dihasilkan akan dikeluarkan, jika ada oksalat yang masuk. Gambar 10.6 Pertukaran oksalat-format yang dikopling dengan sintesis ATP Dekarboksilasi Dikarboksilat yang Dikopling dengan Transport Na + Reaksi kimia yang dikopling dengan proton, banyak ditemukan di bakteri, tetapi pada beberapa bakteri (khususnya bakteri laut) sistem transport proton digantikan oleh natrium. Bakteri Vibrio alginolyticus menggunakan pompa natrium yang dikopling dengan respirasi. Contoh sistem dekarboksilasi yang dikopling dengan transport Na + adalah dekarboksilasi metilmalonil-koa pada Propionigenium modestum dan dekarboksilasi oksaloasetat pada Klebsiella pneumonia (Gambar 10.7). Simport Arus Keluar Produk Fermentasi dengan Pompa Proton atau Na + Pengeluaran produk fermentasi oleh sel bakteri merupakan transport yang menuruni gradien konsentrasi. Transportasi hasil fermentasi tersebut menghasilkan energi, sehingga dapat dipakai untuk memompa proton (natrium). Oleh karena itu, arus keluar produk fermentasi disimport dengan pompa proton, sehingga menghasilkan p. Simport pengeluaran laktat dengan pompa proton dapat dilihat pada bakteri Streptococcus. Simport pengeluaran suksinat dengan pompa Na + terjadi pada bakteri Selenemonas.

8 Gambar 10.7 Dekarboksilasi oksaloasetat dikopling dengan transport Na +. D: enzim dekarboksilase (Sumber: Dimroth, P Energy transduction by an electrochemical gradient of sodium ions in Hauska & R. Thauer (eds). The Molecular Basis of Bacterial Metabolism. Springer-Verlag, Berlin ) Absorbsi Cahaya oleh Pigmen Rodopsin Beberapa arkhaea (halofil ekstrim) mampu menghasilkan p langsung dari absorsi cahaya oleh pigmen tanpa melibatkan reaksi redoks. Arkhaea halofil ekstrim adalah arkhaea heterotrof dan biasanya menghasilkan p melalui reaksi redoks. Akan tetapi, jika oksigen rendah, tetapi sinar tinggi, maka dia menyintesis pigmen bakteriorodopsin. Salah satu fungsi bakteriorodopsin adalah memompa proton ketika mengabsorbsi sinar (kopling). Terdapat Arkhaea halofil ekstrim yang mampu menyintesis halorodopsin yang mampu menyerap cahaya dan dikopling dengan arus masuk ion klor. TRANSFER ELEKTRON Proses pembentukan energi baik secara fotosintesis maupun respirasi menyangkut masalah transfer elektron. Pembentukan energi sebenarnya adalah transfer energi yang dilepaskan reaksi eksergonik ke sintesis senyawa berenergi tinggi. Seperti diketahui reaksi kimia berlangsung dengan 2 cara, yaitu endergonik dan eksergonik. Reaksi endergonik adalah reaksi yang memerlukan energi, sedangkan reaksi eksergonik adalah reaksi yang menghasilkan energi. Biasanya reaksi eksergonik

9 dikopling dengan reaksi endergonik. Oleh karena itu, organisme termasuk prokariota melakukan suatu konversi energi eksergonik menjadi energi yang dapat dimanfaatkan. Tabel 10.1 Potensial elektroda reaksi redoks pada ph 7 Reaksi Redoks CO 2 / format H + / H 2 Fd ox / Fd red (Clostridium) NAD + / NAD S 0 / H 2S FAD / FADH 2 Asetaldehid / etanol FMN / FMNH 2 Piruvat / laktat Oksaloasetat / malat Menakuinon (ox / red) Sit b 558 (ox / red) Fumarat / suksinat Ubikuinon (ox / red) Sit b 556 (ox / red) Sit b 562 (ox / red) Sit d (ox / red) Sit c (ox / red) Sit a (ox / red) Sit c 555 (ox / red) - - NO 3 / NO 2 Fe 3+ / Fe 2+ O 2 / H 2O E 0 (mv) atau atau atau atau Sumber: Thauer, R.K., K. Jungermann & K. Decker Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria. Bacteriol Rev 41: Pada proses respirasi terjadi arus elektron melalui serangkaian reaksi redoks berantai dalam membran sel. Transfer elektron dimulai dari donor yang mempunyai potensial elektroda rendah ke akseptor yang mempunyai potensial elektroda lebih tinggi (Tabel 10.1). Kompleks yang mampu membawa elektron pada transfer elektron, disebut pembawa elektron. Pada titik tertentu reaksi redoks mampu menghasilkan energi yang tinggi, sehingga energi itu dipakai untuk memompa proton menyeberang membran sel. Ketika proton kembali ke dalam sel akibat perbedaan gradien konsentrasi, perpindahan itu dikopling dengan sintesis senyawa berenergi tinggi, misalnya ATP. PEMBAWA ELEKTRON Pembawa elektron yang terletak di membran sel dapat dikategorikan menjadi 4 kelompok, yaitu flavoprotein, kuinon, protein besi-belerang, dan sitokrom. Flavoprotein, protein besi-belerang, dan sitokrom adalah protein, sedangkan kuinon adalah lemak.

10 Pembawa elektron protein merupakan kompleks multienzim yang disebut oksidoreduktase. Elektron ditransfer bukan oleh bagian molekul protein, tetapi oleh bagian molekul non-protein. Bagian non-protein yang membawa elektron disebut gugus prostetik. Gugus prostetik flavoprotein, protein besi-belerang, dan sitokrom masingmasing adalah flavin, kluster FeS, dan heme. Gugus prostetik mempunyai kemampuan membawa elektron saja, ada juga yang mampu membawa elektron dan proton. Flavoprotein Flavoprotein (Fp) merupakan pembawa elektron dengan gugus prostetik senyawa organik flavin. Ada 2 jenis flavin, yaitu FMN dan FAD (Gambar 10.8). Fosforilasi riboflavin pada ribitil 5 OH menghasilkan FMN dan adenilisasi FMN menghasilkan FAD. Ketika tereduksi, fp mampu membawa proton dan elektron. H 3 C H 3 C D-ribitil H 2 C O X HC OH HC OH HC OH N N N O NH O Gambar 10.8 Struktur Flavin. X=H: riboflavin; X=PO 3H 2: FMN; X=ADP: FAD Kuinon Kuinon adalah lemak pembawa elektron. Beberapa peneliti yakin bahwa kuinon mobil di daerah hidrofob membran sel. Kuinon terdapat dalam 3 bentuk (Gambar 10.9), yaitu ubikuinon, menakuinon, dan plastokuinon. Kuinon mampu membawa elektron dan proton. Prokariota mampu menghasilkan 2 kuinon selama respirasi, yaitu ubikuinon dan menakuinon. Menakuinon mempunyai potensial elektroda lebih rendah daripada ubikuinon dan biasanya digunakan pada respirasi anaerob. Plastokuinon dijumpai pada sianobakter.

11 O OH H 3 CO CH 3 H 3 CO H n O CH 3 OH O O CH 3 H 3 C CH 3 O CH 3 n H H 3 C O CH 3 Gambar 10.9 Struktur kuinon. Ubikuinon teroksidasi (kiri atas); ubikuinon tereduksi (kanan atas); menakuinon teroksidasi (kiri bawah); plastokuinon teroksidasi (kanan bawah). n H Protein besi-belerang Besi-belerang mempunyai gugus prostetik besi non-heme yang bagian sulfurnya tidak tahan asam (Gambar 10.10). Itu berarti ketika ph rendah (asam), H 2S akan terlepas dari gugus prostetiknya. Besi-belerang mempunyai potensial elektroda yang luas dari 400 sampai +350 mv. Oleh karena itu, besi-belerang dijumpai di setiap level potensial elektroda redoks. Dia dapat membawa elektron, tetapi tidak dapat membawa proton. Sis Sis Fe S S Fe Sis Sis Gambar Kluster FeS Sitokrom Sitokrom adalah pembawa elektron dengan besi heme sebagai gugus prostetiknya. Heme adalah 4 cincin pirol yang dihubungkan dengan jembatan metana (Gambar 10.11). Karena heme terdiri dari 4 pirol, maka sering disebut tetrapirol. Terdapat 4 jenis sitokrom, yaitu sitokrom a, b, c, dan d. Terdapat sitokrom o pada

12 prokariota. Sitokrom o termasuk dalam jenis sitokrom b. Sitokrom mampu membawa proton dan elektron. R 1 R 2 R N N Fe N N R R 3 R 4 R 6 R 5 Gambar Gugus heme dari sitokrom yang terdiri atas 4 cincin pirol (1 s.d 4); : jembatan metana; R 1 s.d. R 8 berbeda-beda tergantung jenis sitokromnya ORGANISASI PEMBAWA ELEKTRON Pada mitokondria serangkaian pembawa elektron terorganisasi dari potensial elektroda rendah (donor) ke potensial elektroda tinggi (akseptor). Elektron (mungkin juga proton) dapat masuk ke sembarang pembawa elektron yang sesuai potensial elektrodanya, kemudian ditransfer ke akseptor yang lebih tinggi potensial elektrodanya. Terdapat 4 kompleks pembawa elektron pada mitokondria (Gambar 10.12), yaitu NADH-ubikuinon oksidoreduktase (kompleks 1), suksinat dehidrogenase (kompleks 2), ubikuinol-sitokrom c oksidoresuktase (kompleks 3 disebut juga kompleks bc 1), dan sitokrom c oksidase (biasanya sitokrom aa 3; kompleks 4). Gambar Organisasi kompleks pembawa elektron pada mitokondria Pada prokariota pembawa elektron berbeda-beda tergantung jenis prokariotanya. Akan tetapi, dapat dianalogikan dengan pembawa elektron di mitokondria, pembawa elektron di prokariota diorganisasikan dalam 3 kelompok, yaitu

13 kompleks dehidrogenase, kompleks oksidase (aerob) atau kompleks reduktase (anaerob), dan kuinon sebagai penghubung 2 kompleks tersebut di atas. Struktur NADH dehidrogenase E. coli mirip dengan struktur kompleks 1 mitokondria. NADH dehidrogenase E. coli mempunyai struktur seperti huruf L dan terkadang seperti tapal kuda dan dinamis. Dinamika struktur NADH dehidrogenase merefleksikan proses evolusinya. Struktur NADH dehidrogenase aerob biasanya berbeda dengan NADH dehidrogenase anaerob. Aktivitas enzim dehidrogenase pada umumnya menghasilkan elektron yang dapat didonorkan ke kuinon. Kemudian, elektron ditransfer ke kompleks oksidase dan akhirnya ke penerima elektron terakhir. Jika penerima elektron terakhir adalah oksigen, maka disebut kompleks pereduksi oksigen atau oksidase. Akan tetapi, jika penerima elektron terakhir selain oksigen, maka disebut reduktase. Jika dehidrogenase terkait dengan aktivitas oksidasi NADH, maka disebut NADH dehidrogenase. Jika dehidrogenase terkait dengan aktivitas oksidasi H 2, maka disebut hidrogen dehidrogenase dan lain-lain. Gambar Organisasi kompleks pembawa elektron pada prokariota pada respirasi aerob (A) dan pada respirasi anaerob (B) Prokariota mempunyai organisasi transfer elektron yang bercabang (Gambar 10.13). Hal ini terkait dengan kemampuan prokariota melakukan respirasi ganda. Jika mitokondria hanya mampu melakukan respirasi aerob saja, maka prokariota mampu melakukan respirasi aerob dan anaerob. Bahkan prokariota mampu melakukan respirasi

14 dengan akseptor elektron berbeda, meskipun dalam suasana yang sama. Titik percabangan pembawa elektron biasanya terdapat pada kuinon atau sitokrom. Percabangan itu memberi kosekuensi kemampuan prokariota menghadapai perubahan lingkungan. Misalnya pada kondisi aerob E. coli menyitesis oksidase, tetapi dalam kondisi anaerob E. coli menyintesis beberapa reduktase (fumarat reduktase, nitrat reduktase, TMAO reduktase) tergantung akseptor elektronnya. TEMPAT KOPLING PEMBAWA ELEKTRON Transfer elektron selalu disertai pembentukan p yang diperoleh dari perpindahan proton ke luar. Pada saat hampir bersamaan juga terjadi sintesis ATP melalui ATPsintase ketika proton kembali masuk ke dalam. Mitokondria mempunyai 3 titik kopling pembentukan p dan sintesis ATP, yaitu kompleks 1, kompleks 3, dan kompleks 4. Terdapat konsensus bahwa mitokondria mampu memindah proton sebanyak 10 setiap transfer elektron dari NADH sampai oksigen. Kompleks 1 dan 3 mampu memindahkan 4 proton setiap transfer 2 elektron. Bagian kompleks 3 yang mampu memindahkan proton adalah ubikuinon. Kompleks 4 hanya mampu memindah 2 proton setiap transfer 2 elektron ke akseptor terakhir. Kompleks 1 dan 3 dapat berjalan membalik. Hal ini berarti, jika ada p, maka elektron dapat ditransfer dari pembawa elektron dengan potensial elektroda rendah ke pembawa elektron dengan potensial elektroda lebih tinggi. Akan tetapi, kompleks 4 tidak dapat membalik. Hal ini berarti air tidak dapat dipakai sebagai donor elektron. Pada prokariota terdapat 2 titik kopling pembentukan p dan sintesis ATP, yaitu ubikuinon sitokrom bc 1 (mirip kompleks 3 pada mitokondria) dan kompleks oksidase atau reduktase (mirip kompleks 4 pada mitokondria). Akan tetapi, ubikuinon sitokrom bc 1 sering hanya disebut kompleks bc 1 atau sitokrom bc 1. Dehidrogenase juga dapat menjadi tempat kopling, jika dehidrogenase tersebut adalah NADH dehidrogenase. 4 PEMBENTUKAN ATP SECARA RESPIRASI (MELALUI ATPsintase) Jumlah ATP yang dihasilkan transfer elektron dari donor sampai akseptor terakhir bervariasi tergantung jenis donornya. Jumlah ATP yang disintesis melalui ATPsintase per 2 elektron dan akseptor elektron adalah oksigen, dilambangkan dengan P/O. Jika akseptor elektron bukan oksigen, maka dilambangkan dengan P/2e -. Jumlah proton yang kembali melalui kanal ATPsintase yang dikopling dengan sintesis ATP (dilambangkan H + /ATP) bervariasi, yaitu 2-4 proton digunakan untuk menyintesis 1 ATP (Gambar 10.14). Terdapat konsensus bahwa nilai H + /ATP

15 mitokondria adalah 3. Karena mitokondria mampu memindah proton sebanyak 10 proton dan nilai H + /ATP adalah 3, maka nilai P/O-nya adalah 3,3. Gambar Jumlah ATP ditentukan oleh rasio proton yang dipindahkan (yh + ) dengan proton yang kembali melaluai ATPase (xh + ). Perbedaan energi (ATP) yang dihasilkan masing-masing prokariota di samping tergantung pada jenis pembawa elektron yang mampu memindahkan proton, juga tergantung pada asosiasi kompleks respirasi dengan membran sel. Sitokrom c yang terbenam di membran sel, mempunyai aktivitas perpindahan proton lebih kecil dibandingkan sitokrom c periplasmik. MEKANISME PERPINDAHAN PROTON Mekanisme reaksi redoks yang dikopling dengan perpindahan proton belum dapat dijelaskan dengan tuntas. Mekanisme perpindahan proton pada prokariota terdapat dalam 3 cara, yaitu pompa proton, Q-loop (Q-ulang-alik), dan Q-cycle (siklus- Q). Pompa Proton Perpindahan proton dengan model pompa proton terjadi pada kompleks 4 (sitokrom aa3). Bentuk sitokrom aa 3 adalah kanal (seperti kanal ATPsintase; tetapi tidak dapat membalik; Gambar 10.15). Ketika sitokrom aa 3 menerima elektron dari sitokrom c, sitokrom aa3 mengalami reduksi. Setelah mengalami reduksi, dengan cepat sitokrom aa3 mentransfer elektron ke oksigen. Ketika terjadi perubahan dari tereduksi menjadi teroksidasi, timbul energi eksergonik yang dapat dipakai untuk memompa proton dari

16 dalam ke luar. Energi eksergonik diperoleh dari perbedaan potensial elektroda antara sitokrom aa 3 dengan akseptor elektron. Gambar Mekanisme perpindahan proton dengan model pompa proton Q-ulang-alik Model perpindahan proton baik Q-ulang-alik maupun siklus-q terjadi pada kompleks 3. Mekanisme perpindahan proton oleh kompleks 3 mitokondria dan uq-bc1 prokariota dengan model Q-ulang-alik adalah sebagai berikut (Gambar 10.16). Kuinon yang berada di sebelah dalam membran, memerima elektron dari protein besi-belerang (kompleks 1 atau NADH dehidrogenase). Pada saat bersamaan kuinon dapat mengambil proton dari sitoplasma sehingga kuinon (Q) menjadi tereduksi menjadi kuinol (QH 2). Kondisi ini membuat kuinol bergerak ke sisi luar membran. Di sisi luar membran kuinol membuang proton ke luar dan mentransfer elektron ke kompleks bc 1, sehingga teroksidasi menjadi kuinon. Kuinon bergerak kembali ke sisi dalam membran. Kompleks bc 1 mentransfer elektron ke sitokrom c. Jadi pada model Q-ulang-alik, kompleks 3 hanya mampu memindahkan 2 proton.

17 Gambar Perpindahan proton dengan model Q-ulang-alik Siklus-Q Model siklus-q mampu menjelaskan kemampuan kompleks 3 mitokondria memindahkan 4 proton. Kuinon pada model ini disebut ubikuinon (UQ). Ubikuinon dalam kondisi dinamis di sepanjang membran. Artinya ubikuinon mampu bergerak di sepanjang membran. Mekanisme perpindahan proton melalui model siklus-q adalah sebagai berikut (Gambar 10.17). UQ menerima elektron dari besi-belerang dan menerima 2 proton dari sitoplasma, sehingga UQ tereduksi menjadi ubikuinol (UQH 2). Kemudian, UQH 2 bergerak ke sisi luar membran. Ubikuinol membuang 2 proton ke luar dan mentransfer 1 elektron ke besi-belerang dari kompleks 3 mitokondria (sitokrom bc 1), sehingga teroksidasi menjadi semikuinon anion (UQ - ). Kemudian, semikuinon anion mentransfer 1 elektron ke sitokrom b L, sehingga teroksidasi lagi menjadi UQ. Satu elektron ditransfer dari sitokrom b L ke sitokrom b H. Ubikuinon menerima elektron (tidak diketahui asalnya), sehingga mengalami reduksi menjadi UQ -. Semikuinon anion bergerak ke sisi dalam mendekati sitokrom b H dan menerima elektron dari sitokrom b H sehingga tereduksi menjadi UQ 2- (semikuinon superanion). Semikuinon superanion mengambil 2 proton dari matriks, sehingga menjadi UQH 2. Ubikuinol bergerak ke sisi luar membran dan teroksidasi menjadi UQ -. Semikuinon anion membuang 2 proton keluar dan mentransfer 1 elektron ke protein besi-belerang. Protein besi belerang menerima 2 elektron dan mentransfer ke pusat sitokrom bc 1.

18 Gambar Perpindahan proton dengan model siklus-q