Pemahaman Bioenergetika

Sebagaimana telah dipelajari sebelumnya, bahwa pada sel-sel mahluk hidup senantiasa

berlangsung rangkaian proses/reaksi-reaksi metabolisme dan terkait dengan energi (perubahan

energi) untuk kelangsungan hidup mahluk tersebut. Sehubungan dengan ini, bagaimana sel-sel

mahluk hidup menggunakan, menyimpan, dan melepaskan energi; serta mentransformasi atau

menkonversi energi dari suatu bentuk ke bentuk lainnya dan membutuhkannya secara kontinyu?

Hal ini akan dapat dipahami berdasarkan Hukum-hukum Termodinamika; dan pemahaman hal

inilah yang dimaksudkan dengan pemahaman bioenergetika. Dalam hal ini, energi bebas (energi

bebas ini disimbolkan dengan G karena yang mengemukakannya adalah ahli termodinamika

bernama Gibbs), merupakan bahagian energi total yang keterkaitannya dengan rangkaian

proses/reaksi-reaksi metabolisme tersebut menuruti hukum termodinamika pertama dan ke-dua.

Hukum termodinamika pertama: jumlah energi total dalam suatu sistem dan lingkungannya

adalah tetap. Hukum termodinamika ke-dua: reaksi/proses suatu sistem dapat berlangsung

spontan jika jumlah entropi (tingkat keacakan) dari sistem tersebut dan lingkungannya

bertambah. Namun, pertambahan entropi ini tidak dapat diukur secara langsung sehingga tidak

dapat digunakan sebagai kriteria untuk menentukan apakah reaksi/proses tersebut dapat

berlangsung spontan atau tidak.

Perubahan energi bebas tersebut (DG) didefinisikan dengan persamaan : DG = DH - T DS.

Dalam persamaan ini, DG adalah perubahan energi bebas suatu sistem yang mengalami

perubahan pada suatu tekanan (P) dan suhu (T) yang tetap;

DH adalah perubahan entalpi (kandungan panas) sistem; dan DS adalah perubahan entropi.

Dalam persamaan tersebut, DH = DE – PDV. Karena DV (perubahan volume) dalam reaksi

biokimiawi adalah relatif sangat kecil maka DH hampir sama dengan DE (perubahan energi

dalam). Dengan demikian, DG = DE - T DS. Jika persamaan reaksi dari zat pereaksi dan hasil

reaksi disimbolkan dengan: dan perubahan energi bebas standar (perubahan

energi bebas tiap mol pada pH 7 dan 25°C) dalam persamaan reaksi ini disimbolkan dengan

G°, maka DG dapat dinyatakan dalam persamaan: .Pada saat

keadaan setimbang, G = 0 dan [C][D] / [A][B] = K eq. Dengan demikian, atau

. Dari persamaan ini dapat dituliskan: . Dengan

persamaan ini memungkinkan perubahan energi bebas dari setiap proses dalam keadaan standar

dapat ditentukan jika konstanta kesetimbangan diketahui. Berdasarkan energi bebas sebagai

bahagian energi total yang keterkaitannya dengan reaksi-reaksi menuruti hukum termodinamika

pertama dan ke-dua maka dalam persamaan reaksi tersebut di atas dapat dinyatakan sebagai

berikut: 1) Jika G° negatif (< 0), maka reaksi ke arah kanan disebut reaksi eksergonik. Reaksi

tersebut berlangsung secara spontan; reaksi kebalikanya tidak dapat berlangsung; 2) Jika G°

positif (> 0), maka reaksi ke arah kanan disebut reaksi endergonik. Reaksi tersebut tidak akan

berlangsung secara spontan; dan 3) Jika G° sama dengan 0, maka reaksi ke arah kanan dan ke

arah kiri berada dalam keadaan setimbang. Ketiga hal ini berlaku pada rangkaian reaksi-reaksi

metabolisme tersebut.

Tabel-1.1: Perubahan energi bebas dari beberapa jenis reaksi dalam keadaan standar.

 

Dalam sel hidup, reaksi eksergonik (reaksi yang melepaskan energi bebas) selalu

dirangkaikan dengan reaksi endergonik (reaksi yang menerima energi bebas). Dalam

merangkaikan reaksi eksergonik dan endergonik ini berperan senyawa antara yang berenergi

tinggi. Senyawa yang seperti ini, yang utama, adalah adenosin trifosfat (ATP), karena jika ATP

dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan fosfat inorganik (Pi) atau menjadi adenosin

monofosfat (AMP) dan Pi, sejumlah energi akan dilepaskan dalam bentuk energi bebas.

Misalnya, reaksi pertama dalam lintas glikolisis, yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa-6-

fosfat, yang dikatalisis heksokinase, adalah reaksi yang endergonik (DGº = + 13,8 kj/mol); reaksi

ini terangkai dengan reaksi yang relatif sangat eksergonik, yaitu hidrolisis ATP menjadi ADP

dan Pi (DGº = - 30,5 kj/mol), sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisis oleh heksokinase

tersebut berlangsung dengan mudah karena rangkaian reaksi tersebut menjadi eksergonik (DGº =

- 16,7 kj/mol ).

Serangkaian dengan hidrolisis ATP seperti dalam hal di atas, enzim adenilat kinase

(miokinase) mengkatalisis reaksi: ATP + AMP ⇌ ADP + ADP. Reaksi ini memungkinkan

fosfat berenergi tinggi dari ADP dapat digunakan untuk pembentukan ATP; memungkinkan

AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi yang melibatkan ATP difosforilasi ulang

menjadi ADP; dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP sebagai sinyal metabolik untuk

meningkatkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik (yang menghasilkan ATP).

Beberapa reaksi dirangkaikan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu

guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP), dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat

nukleotida-nukleotida ini disebut GDP, UDP, dan CDP; bentuk-bentuk monofosfatnya disebut

GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal di antara nukleotida yang berbeda dapat

terjadi dengan bantuan enzim nukleosida difosfat kinase seperti pada reaksi-reaksi ATP + GDP ⇌ ADP + GTP dan ATP + GMP ⇌ ADP + GDP.

Berbagai senyawa dalam rangkaian proses/reaksi-reaksi metabolisme tersebut mempunyai

potensi transfer fosforil tinggi, antara lain: fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1,3-bifosfogliserat,

asetil fosfat, dan kreatin fosfat. Gugus fosforil senyawa-senyawa ini dapat ditransfer ke ADP

untuk membentuk ATP.

Potensi transfer fosforil dari senyawa-senyawa terfosforilasi, seperti glukosa-1-fosfat,

fruktosa-6-fosfat, glukosa-6-fosfat, dan gliserol-3-fosfat lebih rendah daripada ATP. Dengan

demikian, ATP memungkinkan berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil.

Senyawa lainnya yang tergolong sebagai senyawa berenergi tinggi adalah yang mengandung

ikatan tiol ester. Senyawa-senyawa seperti ini termasuk koenzim A, protein pembawa asil,

senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa, dan 5-fosforibosil-1-

pirofosfat.

Ada tiga sumber ATP dalam sel eukariotik, yaitu: glikolisis (menghasilkan dua ATP

melalui rangkaian reaksi pemecahan glukosa menjadi asam piruvat); siklus asam sitrat

(menghasilkan satu ATP melalui konversi suksinil koenzim A menjadi suksinat); dan proses

fosforilasi oksidatif (dalam proses ini, masing-masing molekul NADH atau FADH2 yang

terbentuk pada reaksi oksidasi-reduksi dalam katabolisme karbohidrat atau dalam katabolisme

asam lemak serta dalam siklus asam sitrat mengandung dua elektron yang berpotensi untuk

mengalir ke molekul oksigen melalui reaksi reduksi-oksidasi pada rantai transpor elektron; ATP

terbentuk berdasarkan energi bebas dari reaksi reduksi-oksidasi ini).

Terdapat kompleks-kompleks protein membran mitokondrial yang berbeda-beda potensial

reduksi (E0’) atau potensial transfer

Tabel- 2.1: Potensial reduksi standar dari sejumlah reaksi reduksi

Reaksi reduksi (Setengah-reaksi) E o '(V)

O 2 + 2H + + 2 e - H 2 O 0.816

Fe 3+ + e - Fe 2+ 0.771

Fotosistem P700 0.430

NO 3 - +2 H + +2 e - NO 2 - +H 2 O 0.421

Cytochrome f ( Fe 3+ )+ e - cytochrome f (Fe 2+ ) 0.365

Cytochrome a 3 ( Fe 3+ )+ e - cytochrome a 3 (Fe 2+ ) 0.350

Cytochrome a (Fe 3+ )+ e - cytochrome a (Fe 2+ ) 0.290

Rieske Fe-S(Fe 3+ )+ e - Rieske Fe-S(Fe 2+ ) 0.280

Cytochrome c ( Fe 3+ )+ e - cytochrome c (Fe 2+ ) 0.254

Cytochrome c 1 ( Fe 3+ )+ e - cytochrome c 1 (Fe 2+ ) 0.220

UQH + H + + e - UQH 2 (UQ=coenzyme Q) 0.190

UQ + 2 H + + 2 e - UQH 2 0.060

Cytochrome b H (Fe 3+ ) + e - cytochrome b H (Fe 2+ ) 0.050

Fumarate + 2 H + + 2 e - succinate 0.031

UQ + H + + e - UQH 0.030

Cytochrome b 5 ( Fe 3+ )+ e - cytochrome b 5 (Fe 2+ ) 0.020

[FAD]+2 H + +2 e - [FADH 2 ] -0,091*

Cytochrome b L ( Fe 3+ )+ e - cytochrome b L (Fe 2+ ) -0.100

Oxaloacetate + 2 H + + 2 e - malate -0.166

Pyruvate + 2 H + + 2 e - lactate -0.185

Acetaldehyde + 2 H + + 2 e - ethanol -0.197

FMN + 2 H + + 2 e - FMNH 2 -0.219

FAD + 2 H + + 2 e - FADH 2 -0.219

Glutathione (oxidized) + 2 H + + 2 e - 2 glutathione (reduced) -0.230

Lipoic acid + 2 H + + 2 e - dihydrolipoic acid -0.290

1,3-Bisphosphoglycerate + 2 H + + 2 e - glyceraldehyde-3-phosphate + Pi -0.290

NAD + + 2 H + + 2 e - NADH + H + -0.320

NADP + + 2 H + + 2 e - NADPH + H + -0.320

Lipoyl dehydrogenase [FAD ] +2 H + +2 e - lipoyl dehydrogenase [FADH 2 ] -0.340

-Ketoglutarate + CO 2 + 2 H + + 2 e - isocitrate -0.3802

2H + + 2 e - H 2 -0.421

Ferredoxin (spinach) ( Fe 3+ ) + e - ferredoxin (spinach) (Fe 2+ ) -0.430

Succinate + CO 2 + 2 H + + 2 e - -ketoglutarate + H 2 O -0.670

* Nilai khas untuk FAD terikat di flavoprotein seperti dehidrogenase suksinat (lihat Bonomi,

F., Pagani, S., Cerletti, P., dan Giori, C., 1983 Eropa Journal of Biochemistry 134:. 439-445).

elektronnya. Perbedaan potensial transfer electron (afinitas elektron) di antara kompleks-

kompleks protein tersebut memungkinkan dua elektron dari masing-masing molekul NADH dan

FADH2 tersebut mengalami transfer (mengalir) melalui kompleks-kompleks protein tersebut

(mengalir dari kompleks yang afinitas elektronnya relatif lebih rendah ke kompleks yang

afinitas elektronnya relatif lebih tinggi) sampai akhirnya ke molekul oksigen (O2) dan terbentuk

molekul air (H2O). Aliran elektron ini akan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks

mitokondria; dengan demikian, terbentuk gradien pH dan potensial listrik transmembran yang

dapat mendorong proton masuk kembali ke dalam matriks tersebut melalui peran suatu

kompleks enzim (yaitu enzim ATP sintase), lalu berlangsung proses pembentukan ATP

(fosforilasi oksidatif) (Gambar-1.2 a dan b).

Gambar-1.2a: Kompleks-kompleks protein rantai transpor elektron dan

elektron dan fosforilasi oksidatif.

Gambar-1.2b: Aliran elektron dari NADH dan FADH2 melalui

rantai transpor elektron dan pembentukan ATP

melalui fosforilasi oksidatif.

Rantai transpor elektron (kompleks-kompleks protein) tersebut adalah NADH koenzim Q

oksidoreduktase (kompleks I), suksinat-koenzim Q oksidoreduktase (kompleks II), koenzim Q

sitokrom c oksidoreduktase (kompleks III), dan sitokrom c oksidase (kompleks IV). Aliran

elektron tersebut merupakan suatu rangkaian reaksi reduksi-oksidasi dalam kompleks-kompleks

protein tersebut dan telah lazim disebut rantai transpor elektron. Dengan proses pembentukan

masing-masing molekul sumber elektron yang dialirkan (NADH atau FADH2) pada reaksi

oksidasi-reduksi dalam katabolisme karbohidrat atau dalam katabolisme asam lemak serta dalam

siklus asam sitrat, juga terbentuk gas karbondioksida (CO2) sebagai limbah katabolisme (limbah

metabolisme). Dengan proses reaksi oksidasi-reduksi pada rantai transpor elektron sampai

akhirnya ke molekul oksigen tersebut terbentuk molekul air sebagai limbah proses (limbah

metabolisme). Dengan demikian, rantai tranpor elektron tersebut lazim juga disebut rantai

pernafasan (karena pada dasarnya, penyebab mahluk hidup bernafas, yaitu menggunakan O2

dan mengeluarkan CO2, adalah peran rantai transpor elektron tersebut dalam sel-selnya).

Lintasan elektron dari NADH yang dihasilkan rangkaian proses/reaksi-reaksi dalam

mitokondrial berbeda dengan lintasan elektron dari NADH yang dihasilkan rangkaian

proses/reaksi-reaksi glikolisis (dalam sitosol) dalam memasuki rantai transpor elektron tersebut.

Elektron dari NADH yang dihasilkan rangkaian proses/reaksi-reaksi dalam mitokondrial

memasuki rantai transpor elektron tersebut dengan melalui kompleks I (Gambar-1.3). Dalam hal

ini, dua elaktron dari NADH yang terikat pada enzim NADH dehidrogenase (NADH reduktase)

ditransfer ke gugus flavin mononukleotida (FMN), sehingga FMN ini tereduksi menjadi

FMNH2. Selanjutnya, kedua elektron tersebut mengalir dari FMNH2 melalui rangkaian besi-

belerang (Fe-S) dan gugus jenis lainnya (yaitu koenzim Q, yang disebut juga ubiquinon, UQ).

Dengan demikian, UQ mengalami reduksi menjadi ubiquinol (UQH2) yang terikat pada

enzimnya (dalam kompleks I). Selanjutnya, dua elektron dari UQH2 ini mengalir ke rangkaian

besi-belerang lainnya (Fe-S) sehingga terbentuk UQ yang bersifat mobil dalam bagian

hidrofobik membran dalam mitokondrial dan empat proton (ion H+) terpompa dari matriks

mitokondrial ke sitosol. Dengan demikian, kedua elektron tersebut mengalir ke kompleks III

(bukan melalui kompleks II) dan selanjutnya ke kompleks IV.

Gambar-1.3: Elektron dari NADH memasuki kompleks I

Elektron dari NADH yang dihasilkan rangkaian proses/reaksi-reaksi glikolisis (dalam

sitosol) memasuki rantai transpor elektron tersebut dengan melalui kompleks II. Dalam hal ini,

elektron dari NADH tersebut ditransfer ke dihidroksiaseton fosfat dengan dikatalisis oleh enzim

gliserol 3-fosfat dehidrogenase sehingga terbentuk gliserol 3-fosfat. Selanjutnya, gliserol 3-fosfat

berdifusi ke membran dalam mitokondrial, lalu dua elektron dari gliserol 3-fosfat ini ditransfer

ke akseptor elektron (koenzim dari enzim gliserol dehidrogenase, merupakan enzim

mitokondrial) sehingga terbentuk kembali dihidroksiaseton fosfat pada permukaan luar membran

dalam mitokondrial, yang selanjutnya berdifusi kembali ke dalam sitosol. Enzim mitokondrial ini

merupakan protein transmembran yang menggunakan FAD sebagai akseptor elektron sehingga

terbentuk FADH2.

Khusus dalam sel-sel tertentu, seperti dalam sel-sel hati, elektron dari NADH sitosol

diangkut ke dalam mitokondria melalui sitem pengangkutan malat-aspartat. Dalam hal ini,

elektron dari NADH sitosol ditransfer ke oksaloasetat sehingga terbentuk malat dan NAD+; yang

kemudian, malat ini dalam melintasi membran dalam mitokondrial akan teroksidasi menjadi

oksaloasetat kembali dan NAD+ dalam matriks mitokondrial menjadi bentuk NADH kembali.

Selanjutnya, elektron dari NADH ini memasuki rantai transpor elektron tersebut dengan melalui

kompleks I.

Aliran elektron dari FADH2 dalam memasuki rantai transpor elektron tersebut bukan

melalui kompleks I. Jika FADH2 tersebut adalah yang terikat pada enzim suksinat

dehidrogenase, maka aliran elektron tersebut akan melalui rangkaian besi-belerang (2Fe-2S)

dan koenzim UQ dalam kompleks II (Gambar-1.4). Dengan demikian, FADH2 melepaskan dua

ion H+dan dengan kedua ion H+ ini maka UQ tersebut berubah menjadi UQH2 dan tetap terikat

pada enzimnya dalam kompleks II; yang dalam keadaan seperti ini, elektron dari

UQH2(kompleks II) ini dan dari kompleks I (dari NADH) akan mengalami proses yang sama

dalam melalui kompleks selanjutnya (kompleks III dan IV), yang mana elektron dari kompleks I

ini tidak melalui kompleks II. Jika FADH2 tersebut adalah yang terikat pada enzim asil-koA

dehidrogenase, maka aliran elektron tersebut akan melalui flavoprotein pentransfer elektron

(electron transferring flavoprotein, ETF). Dengan demikian, ETF mentransfer elektron tersebut

melalui rangkaian besi-belerang (Fe-S) dan koenzim UQ dalam kompleks II untuk selanjutnya

masuk melalui proses yang sama dengan yang dilalui elektron dari FADH2 yang terikat pada

enzim suksinat dehidrogenase tersebut.

Gambar-1.4: Elektron dari FADH2 memasuki kompleks II

Kompleks II dalam mentransfer elektron tidak memompa proton seperti masing-masing

kompleks I, III, dan IV dalam mentransfer elektron. Oleh karena itu, perubahan energi bebas

dari reaksi oksidasi-reduksi yang dikatalisis oleh enzim dalam kompleks II tersebut lebih kecil

daripada perubahan energi bebas dari reaksi oksidasi-reduksi yang dikatalisis oleh enzim dalam

masing-masing kompleks I, III, dan IV. Dengan demikian, ATP yang terbentuk dari perubahan

energi bebas dalam mentransfer elektron dari FADH2 melalui kompleks II, III, dan IV lebih

sedikit daripada yang terbentuk dari perubahan energi bebas dalam mentransfer elektron dari

NADH melalui kompleks I, III, dan IV dalam proses fosforilasi oksidatif. Gambar-1.5

merupakan diagram yang secara umum menunjukkan bahwa aliran elektron dari satu molekul

NADH melalui proses reaksi reduksi-oksidasi pada rantai transpor elektron dalam kompleks I

(NADH-koenzim Q oksidoreduktase atau NADH-ubiquinon dehidrogenase), kompleks III

(koenzim Q sitokrom c oksidoreduktase atau biquinon, sitokrom b, sitokrom c1, sitokrom c), dan

kompleks IV (sitokrom c oksidase atau sitokrom c sitokrom oksidase) dapat menghasilkan tiga

molekul ATP dari proses fosforilasi oksidatif; sedangkan aliran elektron dari satu molekul

FADH2 melalui proses reaksi reduksi-oksidasi dalam kompleks II (suksinat-koenzim Q

oksidoreduktase atau ubiquinon oksidoreduktase) dan rantai transpor elektron kompleks III

(koenzim Q sitokrom c oksidoreduktase atau biquinon, sitokrom b, sitokrom c1, sitokrom c) serta

kompleks IV (sitokrom c oksidase atau sitokrom c sitokrom oksidase) hanya dapat menghasilkan

dua molekul ATP dari proses fosforilasi tersebut.

Gambar-1.5: Proses fosforilasi oksidatif

Peran ATP dalam keberadaan bentuk-bentuk energi metabol isme dalam

sel /akt iv i tas se l merupakan ”mata uang dol lar yang dapat sa l ing

diper tukarkan dengan mata uang la innya” (Gambar-1.6) . ATP t e r b e n t u k

d e n g a n m e n y i m p a n e n e r g i y a n g j u m l a h n y a

t e r g a n t u n g p a d a y a n g d i h a s i l k a n p r o s e s o k s i d a s i /

k a t a b o l i s m e m o l e k u l p e n g h a s i l e n e r g i d a n e n e r g i y a n g t e r s i m p a n

d a l a m A T P t e r s e b u t d a p a t d i b e b a s k a n d a l a m b e n t u k e n e r g i

t e r t e n t u s e b a g a i m a n a y a n g d i b u t u h k a n u n t u k p r o s e s / r e a k s i

d a l a m s e l / a k t i v i t a s s e l , a n t a r a l a i n d a l a m b e n t u k : e n e r g i k i m i a

u n t u k b i o s i n t e s i s , e n e r g i o s m o s a ( p e n g a n g k u t a n ) , e n e r g i m e k a n i k

u n t u k k o n t r a k s i o t o t , e n e r g i l i s t r i k u n t u k s i s t e m

s y a r a f , d a n e n e r g i c a h a y a / s i n a r b i o l u m i n e s e n s i

y a n g t e r j a d i p a d a o r g a n i s m e t e r t e n t u ( s e p e r t i kunang-kunang). Pada

dasarnya, A T P t e r b e n t u k d a r i A D P d a n P i m e l a l u i p r o s e s

f o s f o r i l a s i o k s i d a t i f y a n g t e r a n g k a i d e n g a n p r o s e s

o k s i d a s i / k a t a b o l i s m e s e b a g a i m a n a y a n g t e l a h d i u r a i k a n d i a t a s .

Gambar-1.6: Peran ATP dalam keberadaan bentuk-bentuk

energi metabol ime dalam sel /akt ivi tas se l