STRUKTUR MITOCHONDRIA SERTA PROSES PEMBENTUKAN ATP INTRA- MITOCHONDRIAL Deni Rahman Marpaung Dosen Fakultas Ilmu Keolahragaan Universitas Negeri Medan Abstrak Sistem pembentukan energi pada tubuh ada dua sistem yaitu sistem energi anaerobik dan sistem energi aerobik. Sistem energi anaerobik meliputi ATP-PC (phosphagen) dan glykolisis anaerobic (asam laktat). Sedangkan sistem energi aerobik meliputi siklus krebs dan sistem transport elektron. Proses terjadinya sistem energi aerobik (siklus krebs dan sistem transport elektron) berada di dalam mitochondria dan sistem energi anaerobik (ATP-PC dan LA) terjadi diluar mitochondria yaitu pada sarkoplasma. Mitochondria merupakan salah satu organel sel. Ukuran mitochondria berdiameter sekitar 0,2-1 μm. Mitochondria berbentuk filamen bervariasi panjang sampai 10 μm. Peran utama mitochondria adalah sebagai pabrik energi sel yang menghasilkan energi dalam bentuk ATP. Energi yang dihasilkan dalam mitochondria melalui proses aerobik. Metabolisme karbohidrat akan berakhir di mitochondria ketika asam piruvat di transpor dan dioksidasi oleh O2 menjadi CO2 dan air.pembentukan ATP di dalam mitochondria merupakan hasil dari pemecahan glukosa atau asam lemak (glyserol) secara aerobik menjadi asam piruvat. Ada dua jalur untuk proses pembentukan ATP intra-mitochondria, yaitu siklus Krebs dan sistem transpor elektron. Kata Kunci: Atp-Pc, Mitochondria PENDAHULUAN Setiap manusia pasti membutuhkan gerak, karena bergerak adalah aktivitas yang sangat penting sekali dalam kehidupan sehari-hari. Pentingnya gerak bisa kita rasakan bahwa setiap keperluan kita dalam hidup ini selalu menuntut fisik kita untuk bergerak supaya tercapai hakikat hidup sehat. Dalam melakukan aktivitas sehari-hari, apapun bentuknya tubuh pasti memerlukan energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Menurut David R Lamb (1984), dan Edward. L. Fox, dkk (1989) energi adalah kapasitas untuk melakukan suatu pekerjaan/kegiatan. Kerja/pekerjaan merupakan hasil perkalian dari tenaga (force) dan jarak yang diperoleh. Karena itu energi dan pekerjaan tidak dapat dipisahkan. Kebutuhan energi tubuh akan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya aktivitas tubuh dalam olahraga dan latihan (Foss, 1998; Newssholme, 1993; Hickson, dkk, 1884; Philips dan Zuiraitis, 2003; Morgan, dkk, 2003). Energi terbesar dihasilkan dalam mitokondria melalui proses aerobic (Guyton, 1999). Dengan jumlah 36 ATP yang dihasilkan dalam proses metabolisme dalam mitokondria (intra-mitochondria), maka mitokondria lebih sering disebut sebagai pabrik energi dalam tubuh (Ganong, 1999). Seperti yang telah dipaparkan bahwa ada dua penggolongan sistem pembentukan energi pada tubuh dan satu diantara dua sistem tersebut prosesnya terjadi didalam mitochondria yaitu sistem energi aerobik (siklus krebs dan sistem transport elektron), sedangkan sistem energi anaerobik (ATP-PC dan LA) prosesnya terjadi diluar mitochondria yaitu pada sarkoplasma. 1
Mitokondria Mitokondria adalah salah satu organel sel. Mitokondria muncul lebih dari satu juta tahun yang lalu padamana sebuah bakteri, berkerabat dekat dengan a proteobakteri, masuk ke dalam sebuah sel eukariot. Endosimbiosis ini menguntungkan kedua belah pihak baik bakteri maupun sel eukariot. Simbiosis ini terus berlanjut dan sekarang ini mitokondria merupakan sesuatu yang sangat esensial bagi sel eukariot (Page & Holmes, 1998).Untuk lebih jelas, dibawah ini akan dijerakan mengenai apa itu mitokondria antara lain: a. Menurut Fox and Bower (1993 : 127) Mitochondria merupakan satuan unit sel yang berada didalam sel otot yang mempunyai peranan sebagai tempat pemorosesan terjadinya energi. b. Dalam jurnal penelitian Suyanto Hadi (Guru besar fakultas kedokteran Universitas Diponegoro, spesialis rematologi bagian dalam menjelaskan Mitokondrion (jamak mitokondria: berasal dari bahasa Inggris yaitu mitochondrion, mitochondria) yang artinya adalah bagian sel (kompartemen) atau organel tempat proses perubahan sistem (konversi) energi dalam bentuk molekul ATP (adenosine triphosphate) yang dibutuhkan berbagai aktivitas fungsi sel tubuh. (http. www.kalbefarma.com/cdk). 2. Struktur Mitokondria Secara anatomis mitokondria pada sel otot skelet terletak pada sitoplasma (Vander, 2001). Pada dasarnya mitokondria itu merupakan struktur yang dapat memperbanyak dirinya sendiri, yang berarti bahwa satu mitokondria dapat membentuk mitokondria kedua, ketiga dan seterusnya, hal ini diperlukan oleh sel untuk meningkatkan jumlah ATPnya (Guyton, 1996 ). Ukuran dan bentuk mitokondria ternyata berbeda-beda, beberapa diantaranya hanya berdiameter sebesar beberapa ratus milimikron, dan bentuknya globular, sedangkan yang lain diameternya dapat mencapai 1 mikron hingga 7 mikron dan berbentuk filamen (Guyton, 1996). Meskipun morfologi mitokondria dari sel ke selbervariasi, namun tiap mitokondria pada dasarnya mempunyai struktur yang menyerupai sosis. Mitokondria mempunyai membran luar dan membran dalam dan yang terlipat-lipat membentuk rak disebut cristae. Ruang yang terdapat diantara dua membran dinamakan ruang intra crista atau inter membrane dan ruang yang terdapat di sisi dalam pada inner membrane disebut ruang matriks (Ganong, 1999). Dalam proses replikasi, kebanyakan protein dan lipid yang telah dibentuk di dalam sitoplasma itu akan bergabung di dalam mitokondria sewaktu membesar dan kemudian membentuk mitokondria baru (Guyton, 1996). Mitokondria disebut juga sebagai pembangkit tenaga listrik ("power house" ) di dalam sel (Guyton, 1996). Ini berarti tanpa mitokondria, maka sel-sel tak mampu menyadap jumlah energi yang banyak dari makanan yang dimakan dan oksigen, dan sebagai akibat adalah fungsi-fungsi yang penting dari sel akan terhenti. Ukuran dan bentuk mitokondria ternyata berbeda-beda, beberapa diantaranya hanya berdiameter sebesar beberapa ratus milimikron, dan bentuknya globular, sedangkan yang lain diameternya dapat mencapai 1 mikron hingga 7 mikron dan berbentuk filamen (Guyton, 1996). Meskipun morfologi mitokondria dari sel ke sel bervariasi, namun tiap mitokondria pada dasarnya mempunyai struktur yang menyerupai sosis, yang mempunyai membran luar (outer membrane) dan membran dalam (inner membrane) dan yang terlipat-lipat membentuk rak disebut cristae. Ruang yang terdapat diantara dua membran dinamakan ruang intra crista atau inter membrane dan ruang yang terdapat disisi dalam pada inner membrane disebut ruang matriks. 2
Gambar 1. Struktur Sel Gambar 2. Struktur Mitokondria Membran luar Membran luar mitokondria terdapat enzym yang berkaitan dengan oksidasi biologi, menyediakan bahan mentah untuk terjadinya reaksi didalam mitokondra. Membran luar mengandung protein transport yang disebut porin. Porin membentuk saluran yang berukuran relatif lebih besar di lapisan ganda lipid membran luar; sehingga membran luar dapat dianggap sebagai saringan yang memungkinkan lolosnya ion maupun molekul kecil berukuran 5 kda atau kurang, termasuk protein berukuran kecil. Molekul-molekul tersebut bebas memasuki ruang antar membran, namun sebagian besar tidak melewati membran dalam yang bersifat impermeabel. Ini berarti bahwa dalam hal kandungan molekul kecil, di ruang antar membran bersifat ekuivalen dengan sitosol sedangkan di ruang matriks berbeda. Protein yang terletak pada membran luar 3
meliputi berbagai enzim yang terlibat dalam biosintesis lipid mitokondria dan enzim-enzim yang mengubah substrat lipid menjadi bentuk lain untuk selanjutnya dimetabolisme di matriks mitokondria. Membran dalam Pada membram dalam ini terdapat enzym yang mengkonversi hasil-hasil karbohidrat,protein dan air terletak pada membran dalam mitokondria (Ganong, 1999). Ruang matriks dan ruang antar membran serta membran luar dan membran dalam sendiri berisi berbagai enzym. Ruang antar membran Ruang antar membran adalah ruang yang berada di antara membran luar dan membran dalam mitokondria. Ruang ini mengandung sekitar 6% dari total protein mitokondria dan beberapa enzim yang bekerja menggunakan ATP (adenosine triphosphate) yang tengah melewati ruang tersebut untuk memfosforilasi nukleotida lain. Matriks Matriks berisi sejumlah enzym yang terdapat pada siklus Krebs (Tricarboxylat acyd Cycle, atau TCA cycle) serta gula dan air.(sheeler & Bianchi, 1996). Sebagian besar (sekitar 67%) protein mitokondria dijumpai pada bagian matriks. Enzim-enzim yang dibutuhkan untuk proses oksidasi piruvat, asam lemak dan untuk menjalankan siklus asam trikarboksilat terdapat pada matriks ini. Rantai respirasi 3. Fungsi Mitokondria Secara umum fungsi mitochondria adalah sebagai pembangkit energi dalam sel. Enzim oksidatif pada membran dalam dan enzim siklus asam sitrat dalam matriks mitokondria bersamasama akan mengoksidasi residu asetil sehingga terbentuk karbondioksida dan air. Energi yang terlepas dari oksidasi ini akan digunakan untuk mensintesis bahan berenergi sangat tinggi yakni adenosin trifosfat (ATP). ATP ini, selanjutnya, dikeluarkan dari mitokondria ke sitosol untuk digunakan oleh sel sebagai sumber energi untuk berbagai aktivitasnya (Guyton,1996; Murray et al., 1997; Wallace, 1999). 4. Proses Pembentukan ATP Intra-Mitokondria Secara umum, pembentukan ATP didalam mitokondria merupakan hasil dari pemecahan glukosa atau asam lemak (glyserol) secara aerobic menjadi asam piruvat hingga proses akhir berupa transport electron (gambar 5). Sebelum melangkah lebih jauh dalam pembahasan perlu diketahu tentangbeberapa istilah kimia berikut: Acetyl, Acetyl-CoA, NAD +, NADH, FAD +, dan FADH2. Acetyl merupakan kumpulan dari dua molekul karbon. Contoh dalam pemecahan karbohidrat, asam piruvat kehilangan CO2 menjadi Asetyl yang berkombinasi dengan ko enzim A membentu acetyl-coa sebelum memasuki siklus krebs. Begitu juga, dalam metabolisme asam lemak, dua kelompok asetyl dibutuhkan dalam proses beta-oksidasi dan kemudian memasuki siklus krebs. Sedangkan, metabolisme asam amino lebih kompleks lagi karena hanya beberapa dari asam pemecahan asam amino yang dapat memasuki siklus krebs. NAD +,(nicotinamide adenine dinucleotide) dan FAD + (flavin adenine dinucleotide) merupakan reseptor hydrogen dan 4
mengangkutnya. Sedangkan NADH dan FADH diturunkan dari NAD + danfad + yang berfungsi membawa electron ke system transport electron (Fox dan Bowers, 1993). a. Glikolisis Aerobik Reaksi pertama adalah pemecahan glikogen menjadi CO2 dan H2O disebut glikolisis. Pada dasarnya, hanya terdapat satu perbedaan antara proses glikolisis anaerobic dengan aerobic, yaitu pada glikolisis aerobic tidak terjadi akumulasi asam laktat (Coyle, 1984). Dengan kata lain, terdapatnya aksigen menghambat terbentuknya asam laktat, tetapi tidak terjadi proses pembentukan kembali ATP. Dalam glikolisis, hasil akhinya berupa dua molekul asam piruvat, dua ATP dan 4H. Secara singkat dapat dituliskan dalam rumus kimia berikut: Glukosa + 2 ADP + 2PO4 2 Asam piruvat + 2 ATP + 2ATP dan 4H Asam piruvat yang terbentuk kemudian dikonversi menjadi molekul asetikoenzim A (asetil KoA). Dalam proses konversi ini, tidak terbentuk ATP, tetapi 4 atom hydrogen yang dilepaskan akan membentuk 6 molekul ATP jika keempat atom hydrogen tersebut di oksidasi, seperti yang akan dibahas dalam siklus asam sitrat atau siklus Krebs. Kesimpulan Untuk memelihara kelangsungan hidupnya manusia harus bergerak, yaitu aktivitas yang sangat penting sekali dalam kehidupan sehari-hari. Dalam melakukan aktivitas sehari-hari, apapun bentuknya tubuh pasti memerlukan energi. Secara anaerobic yang prosesnya terjadi pada sitosol, system energi yang berkerja adalah system energi ATP-PC, dan Alactid Glycolytic. Mitokondria adalah salah satu organel sel. mitokondria pada dasarnya mempunyai struktur yang menyerupai sosis, yang mempunyai membran luar (outer membrane) dan membran dalam (inner membrane) dan yang terlipat-lipat membentuk rak disebut cristae. Ruang yang terdapat diantara dua membran dinamakan ruang intra crista atau inter membrane dan ruang yang terdapat disisi dalam pada inner membrane disebut ruang matriks. Fungsi mitochondria adalah menghasilkan energy (ATP), yang nantinya dapat digunakan untuk melakukan aktifitas oleh manusia. Pembentukan ATP secara aerobic pada mitochondria akan diperoleh melalui tiga proses kimia yaitu (1) Aerobic glycolysis, (2) The Krebs Cycle, dan (3) ElectronTransport System (ETS). Sedangkan jumlah ATP terbanyak yang dihasilkan berasal dari system energi aerobic yang terjadi dalam mikondria yaitu 36 ATP. Kajian teori tentang Struktur Mitochondria serta Proses Pembentukan ATP Intra- Mithocondrial, adalah salah satu dari sekian banyak kajian teori yang berhubungan dengan Ilmu Faal Olahraga, teori ini dapat dikembangkan kembali kedalam suatu kajian teori yang lebih sempurna. 5
DAFTAR PUSTAKA Altmand, P.L dan D.S Dittmer., 1966. Environmental Biology. Federation of American Society for Eperimental Biology. Pp. 4-5. Amstrong, F.B. 1995. Buku Ajar Biokimia 3 rd Edition. Jakarta: EGC Bompa, T.O. 1999. Periodization: Theory and Methodology of Training. Champaign, IL: Human Kinetics. Coyle, dkk, 1984. Adaptation of Sceletal Muscle to Endurance Exercise and Their Metabolic Consequences. American Physilogy Society. Retrieved by Fax 12/03/2003 Fahey T.D. dan G.A. Brooks. 1984. Exercise Physilogy: Human Bioenergetics and Its Applications. New York: John Wiley. Ganong WF. 1999. Review of Medical Physiology, New Jersey: Printice Hall. Guyton AC and Hal JE. 1999. Teks Books of Medical Physiology, 9 th Ed. Philadelpia: WB Soudners Company. Hare, Dietrich. 1982. Principles of Sports Training. Berlin: Sportverlag Berlin. Hesterlee S. Mitochondrial Disease in Perspective Symptoms, Diagnosis and Hope for The Future. Hopkins, W.G. & N.P.A Huner. 2008. Introduction to Plant Physiology, 4th ed. New York: John Wiley & Sons.diakses pada 17-01-2011 Hurltman E.J. 1967. Studies on Muscle Metabolism of glycogen and Aktive Phospate in Man with Special Reference to Exercise and Diet. Scand J Clin Lab Invet (Supll 94). 19:1-63. Karlson. 1971. Lactate and Phosphagen Concentration in Working Muscle of Man. Acta Physiol Scan (Supll) 358:1-72 Power, S. K. 1993. Fundamentals of Exercise Metabolism. ACSM S Resourch Manual For Guidelines For Exercise Testing And Presription: second edition. Indianapolis: A Warley Company. Quinn, Elizabeth. 2006. The Principles of Sports Conditioning. Retrieved up date 12/09/06. Downloaded 19/10/2006. Richard A. Berger. 1982. Applied Exercise Physiologi. United States of America, Philadelphia : Lea and Febiger. 6