Catatan Berguna tentang Respirasi Sel di Mitokondria | Biologi



Catatan Berguna tentang Respirasi Sel di Mitokondria!

Mitokondria melakukan sejumlah fungsi seperti oksidasi, dehidrogenasi, fosforilasi oksidatif, dan aktivitas pernapasan.

Sumber Gambar : fc01.deviantart.net/fs70/i/2012/006/8/4/mitochondria_muzucya-d4lj2ep.jpg

Dalam mitokondria lebih dari 73 enzim dan banyak kofaktor dan logam penting untuk fungsi mitokondria, bekerja bersama secara teratur. Selain oksigen, satu-satunya bahan bakar yang dibutuhkan mitokondria adalah fosfat dan adenosin difosfat (ADP). Produk akhir utama adalah ATP ditambah CO 2 dan H 2 O.

Oksidasi Bahan Makanan :

Mitokondria adalah organ pernapasan sel. Di sana bahan makanan, seperti karbohidrat dan lemak, sepenuhnya teroksidasi menjadi CO 2 dan H 2 O, dan selama oksidasi sejumlah besar energi dilepaskan yang digunakan oleh mitokondria untuk sintesis senyawa kaya energi yang disebut adenosin trifosfat (ATP). . Karena mitokondria mensintesis senyawa ATP yang kaya energi, mereka juga dikenal sebagai pembangkit tenaga sel.

ATP terbentuk dari basa purin (adenin), gula pentosa (ribosa) dan tiga molekul asam fosfat. Adenin + gula ribosa secara kolektif membentuk nukleosida yang disebut adenosin. Ia memiliki satu, dua atau tiga gugus fosfat, masing-masing membentuk adenosin monofosfat (AMP), adenosin difosfat (ADP) dan adenosin trifosfat (ATP). Dalam ATP, gugus fosfat terakhir terikat dengan ADP oleh ikatan khusus yang disebut ikatan kaya energi.

Saat gugus fosfat terakhir dari ATP dilepaskan, sejumlah besar energi (7.000 kalori) dibebaskan. Oksidasi bahan makanan di mitokondria memasok sejumlah besar energi untuk sintesis ikatan kaya energi (ikatan ‰ˆ P).

Oleh karena itu sejumlah besar energi tetap tersimpan dalam ikatan fosfat kaya energi (‰ˆ P) dari ATP, yang dapat digunakan segera pada saat dibutuhkan dalam berbagai fungsi seluler, misalnya siklus pernapasan, sintesis protein, sintesis asam nukleat, transmisi saraf, pembelahan sel, transportasi dan bioluminesensi, dll.

Selain ATP, ada senyawa kimia kaya energi lainnya yang berperan dalam metabolisme sel. Ini adalah sitosin trifosfat (CTP), uridin trifosfat (UTP) dan guanosin trifosfat (GTP). Senyawa ini memperoleh energi dari ATP oleh nukleosida difosfokinase.

Tiga bahan makanan utama sel (karbohidrat, lemak dan protein) pada akhirnya didegradasi dalam sitoplasma menjadi asetat yang merupakan unit dua karbon, yang terikat pada koenzim A untuk membentuk asetil—koenzim A. Ia menembus mitokondria, dan gugus asetat mengembun dengan asam oksaloasetat untuk membentuk asam sitrat, senyawa enam karbon.

Asam sitrat dioksidasi dan kehilangan dua karbon sebagai CO 2 . Dengan cara ini asam suksinat senyawa empat karbon terbentuk. Kemudian dioksidasi menjadi asam oksaloasetat, memulai siklus baru. Pada setiap belokan lingkaran satu molekul asetat menembus dan dua CO 2 dilepaskan. (Untuk detail lebih lanjut lihat siklus Kreb).

Pada setiap pergantian siklus Kreb, empat pasang atom hidrogen dikeluarkan dari zat antara substrat dengan dehidrogenasi enzimatik. Atom hidrogen ini memasuki rantai pernapasan, diterima oleh NAD + atau FAD. Tiga pasang hidrogen diterima oleh NAD, mereduksinya menjadi NADH, dan satu pasang oleh FAD, mereduksinya menjadi FADH 2 (pasangan terakhir ini berasal langsung dari reaksi suksinat dehidrogenase).

Dari satu molekul glukosa, dua molekul asetat terbentuk dalam glikolisis. Untuk memetabolisme dua molekul asetat terjadi dua putaran siklus, menghasilkan total enam molekul NADH dan dua FADH 2 pada titik awal rantai pernapasan. Oksidasi bahan makanan secara rinci adalah sebagai berikut —

  1. Oksidasi karbohidrat:

Seperti yang Anda ketahui, karbohidrat masuk ke dalam sel sebagai monosakarida (glukosa atau glikogen). Monosakarida dipecah menjadi senyawa 3-karbon, asam piruvat. Dalam proses ini serangkaian reaksi kimia berlangsung dengan bantuan banyak enzim.

Asam piruvat kemudian memasuki mitokondria untuk oksidasi sempurna menjadi CO2 dan air. Seluruh reaksi ini, yang melibatkan oksidasi glukosa menjadi CO2 dan air, merupakan jalur metabolisme yang dapat dikelompokkan menjadi beberapa bagian berikut:

(1) Glikolisis

(2) Dekarboksilasi oksidatif

(3) Siklus Kreb (siklus asam sitrat)

(4) Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif

  1. Glikolisis (Gr., glykys, sweet; lysis, hancurkan). Hidrolisis glukosa terjadi dalam beberapa langkah dan setiap langkah dikatalisis oleh enzim tertentu. Selama glikolisis (pemecahan glukosa), molekul kehilangan energinya dan kehilangan atom hidrogen, dan akhirnya dipecah menjadi СO 2 dan air.

Molekul enzim yang terlibat hadir sebagai molekul terlarut. Kofaktor yang berperan dalam jalur Embden-Meyerhof adalah nicotinamide-adenine dinucleotide (NAD). Langkah-langkah ini telah dikerjakan oleh Embden dan Meyerhof (ahli biokimia Jerman) dan karenanya dikenal sebagai jalur Embden-Meyerhof.

Itu terjadi di sitoplasma dan tidak membutuhkan oksigen. Di sini molekul glukosa dipecah menjadi asam piruvat (3 molekul rantai karbon) dan energi dilepaskan yang cukup untuk mensintesis dua molekul ATP. Asam piruvat ini diubah menjadi etil alkohol atau asam laktat dalam sel anaerob (misalnya sel ragi atau otot) seperti yang ditunjukkan di bawah ini —

Dalam sel ragi = Asam piruvat – CO 2 →Asetaldehida etil →alkohol + energi

Dalam sel otot = Asam piruvat Laktat dehidrogenase / + NADH → Asam laktat + NAD + energi

NAD = nicotinamide adenine dinucleotide

Jalur Embden-Meyerhof:

Langkah-langkah dalam reaksi jalur adalah sebagai berikut –

(1) Glukosa difosforilasi melalui reaksi dengan molekul ATP yang diubah menjadi ADP. Reaksinya tergantung Mg ++ .

(2) Glukosa 6-fosfat yang terbentuk mengalami transformasi isomerik ­menjadi fruktosa 6-fosfat.

(3) Ini bergabung dengan molekul ATP lebih lanjut untuk membentuk fruktosa 1, 6-difosfat. Reaksi ini bergantung pada Mg ++ .

(4) Fruktosa 1, 6-difosfat sekarang dipecah menjadi dua molekul 3-karbon: 3-fosfogliseraldehida dan dihidroksiaseton fosfat ­. Tetapi dihidroksiaseton fosfat diubah oleh enzim menjadi 3-fosfogliseraldehida. Dari tahap ini ada dua molekul karbon yang mengambil bagian dalam reaksi selanjutnya.

(5) Dalam reaksi ini kofaktor NAD + tereduksi menjadi NADH dengan pembentukan 1,3 ­-difosfogliserat (asam 1,3-difosfogliserat).

(6) Pada 1 berikutnya, 3-difosfogliserat didefosforilasi menjadi 3-fosfogliserat (atau asam 3-fosfogliserat) dengan hasil satu molekul ATP untuk setiap molekul 3-karbon.

(7) 3-fosfogliserat diubah menjadi 2-fosfogliserat yang diubah menjadi fosfoeno 1-piruvat.

(8) Defosforilasi dua molekul piruvat fosfoenol menghasilkan dua molekul ATP lagi.

(9) Dua molekul piruvat (asam piruvat) akhirnya diproduksi.

Keuntungan bersih dalam ATP menunjukkan bahwa degradasi satu molekul glukosa menghasilkan dua molekul ATP.

Nama enzim yang berperan dalam jalur tersebut adalah phospho-hexckinase atau phosphoglucokinase, phosphohexose isomerase atau glucose-phosphate isomerase, aldolase, phosphoglycerokinase, enolase dan pyruvate kinase.

Di sebagian besar sel, reaksi ini menyediakan sumber NADH yang digunakan kemudian di dalam mitokondria. Di otot, reaksi tidak berhenti di asam piruvat. Biasanya, otot bernafas secara aerobik dengan mengoksidasi asam piruvat melalui siklus Krebs, tetapi selama latihan keras oksigen tidak dapat mencapai jaringan dengan cukup cepat. Dalam hal ini otot memperoleh energi ekstra dengan mereduksi asam piruvat menjadi asam laktat, sebuah molekul NADH yang teroksidasi.

Peran NAD + sebagai koenzim sudah jelas. Dalam pembentukan asam laktat NADH dioksidasi, sedangkan asam piruvat direduksi. NAD + sekarang tersedia sekali lagi untuk mengambil bagian dalam jalur (tahap 5).

Dalam glikolisis oksigen tidak diperlukan. Untuk alasan ini prosesnya disebut glikolisis anaerobik, hasil bersihnya adalah dua molekul ATP untuk satu molekul glukosa yang digunakan. Ini sangat tidak efisien dibandingkan dengan 38 molekul yang dihasilkan ketika asam piruvat digunakan untuk respirasi (oksidasi karbon menjadi CO2) di dalam mitokondria.

Glikolisis anaerobik, bagaimanapun, penting ketika pasokan energi yang cepat dibutuhkan – seorang atlet menghasilkan ATP di ototnya selama lari cepat, tetapi asam laktat juga diproduksi. Kelebihan asam laktat mengurangi pH aliran darah ke tingkat yang tidak dapat ditoleransi. Otot-otot telah mengalami hutang oksigen. Ketika aktivitas kekerasan berhenti, mereka terus menggunakan oksigen dalam jumlah besar untuk mengubah kembali asam laktat menjadi asam piruvat.

Sel-sel hewan menggunakan glikogen, polimer glukosa, sebagai titik awal jalur.

Ketika asam piruvat memasuki mitokondria sel aerobik, ia dioksidasi menjadi CO 2 dan air.

  1. Dekarboksilasi oksidatif:

Ini adalah proses di mana dua molekul asam piruvat memasuki mitokondria di mana masing-masing diubah menjadi dua atom karbon, asam asetat. Satu karbon dilepaskan sebagai CO2. Penghapusan karbon dioksida dari asam piruvat disebut dekarboksilasi.

Asam asetat bergabung dengan koenzim A membentuk asetil KoA Selama proses ini 2H dilepaskan yang diterima oleh NAD + untuk membentuk NADH. 2H ditransfer ke sistem transpor elektron di mana ini menghasilkan 3 molekul ATP.

Jadi, dalam semua 6 molekul ATP dihasilkan dari dua molekul asam piruvat. Dalam proses ini sistem yang kompleks dari tiga enzim mengambil bagian, yaitu dekarboksilase asam piruvat, dihidroksilipoyI transasetilase dan dehidroksilipoil dehidrogenase dan lima faktor-koenzim A, NAD, asam lipat, Mg ++ dan tiamina pirofosfat.

  1. Siklus Kreb:

Siklus Kreb atau siklus asam trikarboksilat asam sitrat terjadi dalam matriks mitokondria. Dalam proses ini banyak enzim dan ko-enzim ikut ambil bagian. Mereka mengkatalisasi siklus reaksi biokimia di mana asam piruvat terdegradasi menjadi CO2, dan NADH juga diproduksi. NADH digunakan untuk reaksi lebih lanjut dalam mitokondria yang akhirnya mengarah pada produksi ATP.

Sir Hans Krebs menguraikan sifat siklus pada tahun 1937 dan menerima Hadiah Nobel untuk penemuannya. Ini disebut siklus karena sitrat atau asam sitrat, titik awal nominal reaksi, diproduksi lagi di ujung jalur dari asam oksaloasetat, menggunakan asetil-koenzim A. Reaksi kemudian dimulai kembali.

Berbagai tahapan siklus Krebs adalah sebagai berikut:

(1) Asam piruvat yang diproduksi di jalur Embden-Meyerhoff pertama-tama diubah menjadi asetil-koenzim A melalui kombinasi dengan koenzim A, suatu proses dekarboksilasi oksidatif, dengan pembentukan NADH dari NAD + .

(2) Asam oksaloasetat bergabung dengan asetil-koenzim A untuk membentuk asam sitrat, titik awal nominal siklus.

(3) Asam sitrat kehilangan satu molekul air untuk membentuk asam aconitic (aconitate) yang dikatalisis oleh aconitase.

(4) Dengan penambahan air, asam akonitik diubah menjadi asam isositrat yang dikatalisis oleh isositrat dehidrogenase.

(5) Oksidasi asam isositrat menjadi asam oksalosuksinat mereduksi NAD + menjadi NADH yang dikatalisis oleh enzim isositik. Molekul NADH mengambil bagian dalam reaksi mitokondria lain yang mengarah pada ­produksi ATP.

(6) Asam oksalosuksinat kehilangan CO2 dan membentuk asam a-ktoglutarat (a-oksoglutarat) yang dikatalisis oleh enzim isositik.

(7) Suatu reaksi lagi yang melibatkan koenzim A mengarah pada pembentukan NADH dari NAD + dengan pembebasan CO 2 yang dikatalisis oleh a-oksoglutarat oksidase. Suksinil koenzim A terbentuk.

(8) Konversi suksinil-koenzim A menjadi asam suksinat mengarah pada pembentukan molekul guanosin trifosfat (GTP) dari guanosin difosfat (GDP) dan pelepasan koenzim A yang dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase.

(9) Bagian dari asam suksinat yang dihasilkan juga digunakan pada tahap selanjutnya untuk pembentukan ATP.

Sisa asam suksinat diubah menjadi asam fumarat yang dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase.

(10) Asam fumarat kemudian diubah menjadi asam maliq, dengan penambahan air dan dikatalisis oleh fumerase.

(11) Asam malat dioksidasi menjadi asam oksaloasetat dengan pembentukan satu molekul NADH lagi dari NAD + . Ini dikatalisis oleh dehidrogenase malat.

Dan dengan demikian siklus berulang, asam oksaloasetat kembali bergabung dengan asetil – koenzim A untuk menghasilkan asam sitrat. Ini terjadi dalam matriks mitokondria.

Selama berbagai tahap siklus Krebs satu molekul asam piruvat, dua molekul NADH, satu NADPH, satu GTP, dan satu asam suksinat diproduksi. Semua ini digunakan sebagai pembawa energi. Akhirnya lergy terkunci di ATP. Misalnya GTP mengubah ADP menjadi ATP melalui transfer fosfat.

  1. Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif:

Dalam siklus Kreb, satu molekul asetil-koenzim A dioksidasi dan bersamaan dengan itu satu molekul FAD (flavoprotein) dan tiga molekul NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) direduksi.

Koenzim tereduksi ini dioksidasi dengan bantuan sistem enzim dan koenzim, yang disebut rantai pernapasan atau sistem transpor elektron yang terjadi di membran mitokondria bagian dalam.

Dalam proses oksidasi ini sejumlah besar energi dibebaskan. Sebagian energi yang dibebaskan digunakan oleh subunit membran bagian dalam partikel F1 yang memiliki tiga faktor kopling dan enzim ATPase dalam sintesis molekul ATP. Pembentukan molekul ATP selama oksidasi disebut fosforilasi oksidatif.

Rantai pernapasan:

Rantai pernapasan mengambil asam suksinat (suksinat) dan NADH dari enzim siklus Krebs. Ini bersama dengan oksigen, rantai pernapasan menghasilkan banyak molekul ATP dan akhirnya CO 2 dan air. Saat elektron dibawa oleh NADH dan asam suksinat berjalan menuruni rantai, mereka melepaskan energinya, yang digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP.

Enzim transpor elektron ini terletak di dalam membran dalam mitokondria [Fernandez Moran (ahli mikroskop elektron) dan ahli biokimia Keilin, Hartree, Lehninger, King dll.] Molekul NADH dan asam suksinat dibentuk oleh enzim siklus kekang dalam matriks.

Dalam kasus asam suksinat, sekarang disebut suksinat dehidrogenase, enzim pertama dalam rantai terletak di sisi matriks dan sitokrom C, yang beroperasi pada tahap 5, terletak di sisi berlawanan dari membran dalam.

Racker menyarankan bahwa а 3 terletak lagi di sisi matriks, sehingga rantai pernapasan akan melibatkan loop enzim di mana bahan akan memasuki rantai di sisi matriks dan produk akhir oksidasi juga akan keluar dari sisi yang sama.

Langkah terakhir dalam produksi ATP melibatkan penggandengan fosfat dengan ADP. Enzim yang mengkatalisis tahap ini adalah ATPase, terletak di partikel bertangkai di sisi matriks membran dalam.

Tahapan dalam reaksi berantai pernapasan adalah:

(1) NADH dan molekul asam suksinat melewati ruang antara membran dalam dan luar mitokondria – mereka bertindak sebagai penghubung ­antara enzim siklus Krebs yang berada di luar dan enzim rantai pernapasan yang berada di dalam. NADH dioksidasi menjadi NAD + dan kembali ke siklus Krebs. Pengurangan koenzim lain Flavin-adenin dinukleotida (FAD), demikian terjadi.

Ini secara permanen terikat pada katalis enzim yang terkait dengannya ­dalam reaksi spesifiknya. Oleh karena itu enzim ini disebut flavoprotein, karena FAD mengandung flavin.

(2) Tahap selanjutnya (yaitu 2) melibatkan koenzim Q atau ubiquinone. Ini adalah lipid – protein larut. Ini bertindak sebagai semacam sistem bolak-balik ­antara flavoprotein dan rangkaian sitokrom yang dimulai dengan sitokrom b.

(3) Tahap ketiga (yaitu 3) melibatkan sitokrom-besi yang mengandung enzim. Atom besi terletak di pusat cincin porfirin. Protein jenis ini terlibat dalam reaksi oksidasi-reduksi dan bergantung pada perubahan Fe +++ + e → Fe ++

Sitokrom setidaknya terdiri dari lima jenis pada hewan, yang dikenal sebagai sitokrom b, c 1 , c, a dan а 3 . Masing-masing sedikit berbeda dalam potensi redoksnya karena susunan dan struktur cincin porfirin dan protein. (Potensi redoks adalah ukuran dalam volt untuk mengurangi kapasitas). Sitokrom а з melakukan tahap akhir transfer elektron ke oksigen dan menggabungkannya dengan ion hidrogen yang dibebaskan sebelumnya dalam rantai, untuk membentuk air.

Ini adalah satu-satunya tahap dalam respirasi aerobik di mana oksigen dibutuhkan.

Fosforilasi oksidatif:

Gambar 13 menunjukkan bahwa energi yang dibebaskan pada berbagai tahap sepanjang rantai pernafasan digunakan untuk menghasilkan ATP dari ADP. Ini adalah reaksi endergonik dan energi disimpan dalam ATP. Proses pembentukan ATP disebut fosforilasi oksidatif, karena fosfat ditambahkan ke ADP menggunakan energi dari oksidasi.

ADP + Pi + energi →ATP (i= anorganik)

[II] Sintesis ATP dari molekul glukosa:

Singkatnya, satu molekul glukosa pada hidrolisis dipecah menjadi dua asam piruvat (senyawa 3-karbon) dalam sitoplasma. Dua molekul asam piruvat dalam mitokondria diubah menjadi 2 molekul asetil koenzim A dengan bantuan 3 enzim dan lima kofaktor.

Satu molekul koenzim asetil (asetil Со-A) dalam siklus Kreb menghasilkan tiga molekul NADH dan satu molekul flavoprotein tereduksi (FAD atau FP), dan 12 molekul ATP dapat diproduksi.

Molekul ATP lainnya diproduksi dalam reaksi suksinil koenzim-A sintetase. Oleh karena itu, dari satu molekul asam piruvat dihasilkan 15 molekul ATP.

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O + 38ADP+ 38P = enzim pernapasan → 6CO 2 + 12H 2 O + 38ATP

Dari 38 molekul ATP, 8 dihasilkan dari glikolisis satu molekul glukosa dan 30 dari 2 molekul asam piruvat.

[III] Jalur utama transfer elektron:

Selama rantai pernapasan, seperti yang telah dijelaskan, serangkaian pigmen, bahan kimia, dan enzim memainkan peran utama. Jalur utama jalur utama reaksi oksidasi-reduksi sel adalah penghilangan hidrogen dari substrat (AH 2 ) oleh dehidrogenase.

Hidrogen biasanya diambil oleh bagian koenzim dehidrogenase dari substrat dan dibawa ke flavoprotein, yang bertindak sebagai pembawa hidrogen (yaitu, FAD—flavin adenin dinukleotida).

Sekarang dari FAD, setiap hidrogen dilepaskan sebagai ion dalam cairan sel dan elektron diteruskan ke pigmen-sitokrom yang merupakan tipe a, b, c, c 1 dan а з terutama. Dari sitokrom, elektron diberikan ke enzim-sitokrom oksidase, yang akhirnya melepaskan elektron ke oksigen. Oksigen ini bersatu dengan ion hidrogen membentuk air. Seluruh proses diilustrasikan dalam gambar. 13.

Related Posts