Fosforilasi oksidatif

Tinjauan transfer energi melalui kemiosmosis

Fosforilasi oksidatif bekerja dengan cara menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk mendorong reaksi yang memerlukan energi. Kedua set reaksi ini dikatakan bergandengan. Hal ini berarti bahwa salah satu reaksi tidak dapat berjalan tanpa reaksi lainnya. Alur elektron melalui rantai transpor elektron adalah proses eksergonik, yakni melepaskan energi, manakala sintesis ATP adalah proses endergonik, yakni memerlukan energi. Baik rantai transpor elektron dan ATP sintase terdapat pada membran, dan energi ditransfer dari rantai transpor elektron ke ATP sintase melalui pergerakan proton melewati membran ini. Proses ini disebut sebagai kemiosmosis. Dalam praktiknya, ini mirip dengan sebuah sirkuit listrik, dengan arus proton didorong dari sisi negatif membran ke sisi positif oleh enzim pemompa proton yang ada pada rantai transpor elektron. Enzim ini seperti baterai. Pergerakan proton menciptakan gradien elektrokimiawi di sepanjang membran, yang sering disebut gaya gerak proton. Gradien ini mempunyai dua komponen: perbedaan pada konsentrasi proton (gradien pH) dan perbedaan pada potensi listrik. Energi tersimpan dalam bentuk perbedaan potensi listrik dalam mitokondria, dan juga sebagai gradien pH dalam kloroplas.
ATP sintase juga dapat memompa ion H+ keluar dari dalam matriks, apabila terjadi hidrolisis ATP pada kutub kompleksnya. Pada kasus hipertiroidisme pada hepatosit model tikus, juga ditemukan pemompaan ion H+ dari dalam matriks di luar mekanisme rantai transpor elektron, hal ini ditengarai terjadi oleh sebab peran hormon T3 yang dapat menyisip pada membran mitokondria sebelah dalam sebagai pompa ion.
Enzim ini seperti motor listrik, yang menggunakan gaya gerak proton untuk mendorong rotasi strukturnya dan menggunakan pergerakan ini untuk mensintesis ATP.
Energi yang dilepaskan oleh fosforilasi oksidatif ini cukup tinggi dibandingkan dengan energi yang dilepaskan oleh fermentasi anaerobik. Glikolisis hanya menghasilkan 2 molekul ATP, sedangkan pada fosforilasi oksidatif 10 molekul NADH dengan 2 molekul suksinat yang dibentuk dari konversi satu molekul glukosa menjadi karbon dioksida dan air, dihasilkan 30 sampai dengan 36 molekul ATP. Rendemen ATP ini sebenarnya merupakan nilai teoretis maksimum; pada praktiknya, ATP yang dihasilkan lebih rendah dari nilai tersebut.

Molekul pemindah elektron dan proton

Rantai transpor elektron membawa baik proton maupun elektron, mengangkut proton dari donor ke akseptor, dan mengangkut proton melawati membran. Proses ini menggunakan molekul yang larut dan terikat pada molekul transfer. Pada mitokondria, elektron ditransfer dalam ruang antarmembran menggunakan protein transfer elektron sitokrom c yang larut dalam air. Ia hanya mengangkut elektron, dan elektron ini ditransfer menggunakan reduksi dan oksidasi atom besi yang terikat pada protein pada gugus heme strukturnya. Sitokrom c juga ditemukan pada beberapa bakteri, di mana ia berlokasi di dalam ruang periplasma.
Dalam membran dalam mitokondria, koenzim Q10 pembawa elektron yang larut dalam lipid membawa baik elektron maupun proton menggunakan siklus redoks. Molekul benzokuinon yang kecil ini sangat hidrofobik, sehingga ia akan berdifusi dengan bebas ke dalam membran. Ketika Q menerima dua elektron dan dua proton, ia menjadi bentuk tereduksi ubikuinol (QH₂); ketika QH₂ melepaskan dua elektron dan dua proton, ia teroksidasi kembali menjadi bentuk ubikuinon (Q). Akibatnya, jika dua enzim disusun sedemikiannya Q direduksi pada satu sisi membran dan QH₂ dioksidasi pada sisi lainnya, ubikuinon akan menggandengkan reaksi ini dan mengulang alik proton melewati membran. Beberapa rantai transpor elektron bakteri menggunakan kuinon yang berbeda, seperti menakuinon, selain ubikuinon.
Dalam protein, elektron ditransfer antar kofaktor flavin, gugus besi-sulfur, dan sitokrom. Terdapat beberapa jenis gugus besi-sulfur. Jenis paling sederhana yang ditemukan pada rantai transfer elektron terdiri dari dua atom besi yang dihubungkan oleh dua atom sulfur; ini disebut sebagai gugus [2Fe–2S]. Jenis kedua, disebut [4Fe–4S], mengandung sebua kubus empat atom besi dan empat atom sulfur. Tiap-tiap atom pada gugus ini berkoordinasi dengan asam amino, biasanya koordinasi antara atom sulfur dengan sisteina. Kofaktor ion logam menjalani reaksi redoks tanpa mengikat ataupun melepaskan proton, sehingga pada rantai transpor elektron ia hanya berfungsi sebagai pengangkut elektron. Elektron bergerak cukup jauh melalui protein-protein ini dengan cara meloncat disekitar rantai kofaktor ini. Hal ini terjadi melalui penerowongan kuantum, yang terjadi dengan cepat pada jarak yang lebih kecil daripada 1,4×10⁻⁹ m.

Kompleks III

Kompleks III juga dikenal sebagai kompleks enzim UCCR yang memiliki 11 berkas genetik UQCR. Pada mamalia, enzim ini berupa dimer, dengan tiap kompleks subunit mengandung 11 subunit protein, satu gugus besi-sulfur [2Fe-2S], dan tiga sitokrom yang terdiri dari satu sitokrom c₁ dan dua sitokrom b. Sitokrom adalah sejenis protein pentransfer elektron yang mengandung paling tidak satu gugus heme. Atom besi dalam gugus heme kompleks III berubah dari bentuk tereduksi Fe (+2) menjadi bentuk teroksidasi Fe (+3) secara bergantian sewaktu elektron ditransfer melalui protein ini.
Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tidak seperti koenzim Q yang membawa dua elektron, sitokrom c hanya membawa satu elektron.
  
Oleh karena hanya satu elektron yang dapat ditransfer dari donor QH₂ ke akseptor sitokrom c, mekanisme reaksi kompleks III lebih rumit daripada kompleks lainnya, dan terjadi dalam dua langkah yang disebut siklus Q. Pada langkah pertama, enzim mengikat tiga substrat, pertama, QH₂ yang akan dioksidasi kemudian dengan satu elektron dipindahkan ke sitokrom c yang merupakan substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan dari QH₂ dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat ketiga adalah Q, yang menerima dua elektron dari QH₂ dan direduksi menjadi Q.-, yang merupakan radikal bebas ubisemikuinon. Dua substrat pertama dilepaskan, namun zat antara ubisemikuinon ini tetap terikat. Pada langkah kedua, molekul kedua QH₂ terikat dan kemudian melepaskan satu elektronnya ke akspetor sitokrom c. Elektron kedua dilepaskan ke ubisemikuinon yang terikat, mereduksinya menjadi QH₂ ketika ia menerima dua proton dari matriks mitokondria. QH₂ ini kemudian dilepaskan dari enzim.
Karena koenzim Q direduksi menjadi ubikuinol pada sisi dalam membran dan teroksidasi menjadi ubikuinon pada sisi luar, terjadi transfer proton di membran, yang menambah gradien proton. Mekanisme dua langkah ini sangat penting karena ia meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul QH₂ yang digunakan untuk secara langsung mereduksi dua molekul sitokrom c, efisiensinya akan menjadi setengah, dengan hanya satu proton yang ditransfer per sitokrom c yang direduksi.

Kompleks IV

Kompleks IV adalah protein terakhir pada rantai transpor elektron yang dikenal sebagai kompleks enzim COX.
Dari penelitian pada hepatosit hewan sapi, enzim ini memiliki struktur kompleks yang mengandung 13 subunit, antara lain 5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2 asam kolat, 2 gugus heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, meliputi tiga atom tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua lintasan peletup ion H⁺ ditemukan membentang dari matriks hingga sitoplasma.
Pada model hepatosit hewan sapi, ion H⁺ dengan energi potensial elektrostatik berkisar antara 635meV, tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase fosfolipid vesikel (COV) pada kedua fase oksidatif dan reduktif, setelah dikirimkan dari proton loading site (PLS), pada saat ion H⁺ berikutnya tiba di PLS. Mekanisme yang ditunjukkan oleh peletupan ion H⁺ pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks. Peletupan ion H⁺ (bahasa Inggris: deprotonation) terjadi bersamaan dengan perubahan gugus karboksil asam aspartat yang berada pada permukaan intermembran menjadi aspargina.
Enzim ini memediasi reaksi terakhir pada rantai transpor elektron dan mentransfer elektron ke oksigen, manakala memompa proton melewati membran. Oksigen yang menerima elektron, juga dikenal sebagai akseptor elektron terminal, direduksi menjadi air. Baik pemompaan proton secara langsung maupun konsumsi proton matriks pada reduksi oksigen berkontribusi kepada gradien proton. Menurut Keilin, reaksi yang dikatalisis oleh sitokrom c dan reduksi oksigennya adalah:
  

Reduktase dan oksidase alternatif

Enzim-enzim yang disebutkan di atas merupakan hasil kajian pada hewan mamalia. Sebenarnya, banyak organisme eukariotik lainnya yang memiliki rantai transpor elektron yang berbeda. Sebagai contoh, tumbuhan memiliki NADH oksidase alternatif, yang mengoksidasi NADH di sitosol daripada di matriks mitokondria, dan ia akan memindahkan elektron ke kolam ubikuinon. Enzim-enzim ini tidak mentranspor proton, sehingga ia mereduksi ubikuinon tanpa mengubah gradien elektronkimia membran dalam.
Contoh rantai transpor elektron divergen lainnya adalah oksidase alternatif yang ditemukan pada tumbuh-tumbuhan, beberapa spesies fungi, protista, dan kemungkinan pula pada beberapa hewan. Enzim ini secara langsung mentransfer elektron dari ubikuinol ke oksigen.
Lintasan tranpor elektron yang dihasilkan oleh NADH dan ubikuinon oksidase alternatif ini memiliki rendemen ATP yang lebih rendah. Keuntungan dari lintasan yang lebih singkat ini belumlah cukup jelas. Namun, oksidasi alternatif ini dihasilkan sebagai respon terhadap berbagai tekanan seperti hawa dingin, spesi oksigen reaktif, infeksi oleh patogen, dan faktor-faktor lainnya yang menghambat rantai transpor elektron secara penuh. Lintasan alternatif ini oleh karenanya akan meningkatkan resistansi organisme terhadap luka dengan menurunkan stres oksidatif.

Pengorganisasian kompleks-kompleks

Model awal bagaimana rantai kompleks respiratori ini terorganisasikan adalah bahwa kompleks-kompleks ini berdifusi dengan bebas dan terbebas dari membran mitokondria. Namun, data-data terbaru mensugestikan bahwa kompleks-kompleks ini kemungkinan membentuk struktur berorde tinggi yang disebut superkompleks ataupun "respirasom." Berdasarkan model superkompleks ini, berbagai jenis kompleks ini terdapat dalam bentuk sehimpunan enzim-enzim yang berinteraksi dan terorganisasi. Asosiasi ini mengizinkan penyaluran substrat di antara berbagai kompleks enzim, sehingga meningkatkan laju dan efisiensi transfer elektron. Dalam superkompleks mamalia, beberapa komponen kompleks akan lebih banyak daripada yang lainnya, dengan beberapa data mensugestikan rasio antara kompleks I/II/II/IV dan ATP sintase kira-kira 1:1:3:7:4. Walau demikian, perdebatan mengenai hipotesis superkompleks ini masihlah belum berakhir, karena beberapa data tampaknya tidak sesuai dengan model ini.

ATP sintase (kompleks V)

ATP sintase, juga disebut kompleks V, adalah enzim terakhir dalam lintasan fosforilasi oksidatif. Enzim ini ditemukan di seluruh organisme hidup dan berfungsi sama pada prokariota maupun eukariota. Enzim ini menggunakan energi yang tersimpan pada gradien proton di sepanjang membran untuk mendorong sintesis ATP dari ADP dan fosfat (Pᵢ). Perkiraan jumlah proton yang diperlukan untuk mensintesis satu ATP berkisar antara tiga sampai dengan empat, dengan beberapa peneliti yang mensugestikan bahwa sel dapat memvariasikan rasio ini sesuai dengan kondisi.
  
Reaksi fosforilasi ini adalah reaksi kesetimbangan, yakni ia dapat digeser dengan mengubah gaya gerak proton. Dengan ketiadaan gaya gerak proton, reaksi ATP sintase akan berjalan dari sisi kanan ke kiri, menghidrolisis ATP dan memompa proton keluar dari matriks melewati membran. Namun, ketika gaya gerak protonnya tinggi, reaks dipaksa untuk berjalan secara terbalik, yaitu dari sisi kanan ke kiri, mengizinkan proton mengalir dan mengubah ADP menjadi ATP.
ATP sintase adalah sebuah kompleks protein yang besar dengan bentuk seperti jamur. Kompleks enzim ini pada mamalia mengandung 16 subunit dan memiliki massa kira-kira 600 kilodalton. Bagian yang tertanam pada membran disebut FO dan mengandung sebuah cincin subunit c dan saluran proton. "Tangkai" dan kepala yang berbentuk bola disebut F₁ dan merupakan tempat sintesis ATP. Kompleks yang berbentuk bola pada ujung akhir F₁ mengandung enam protein yang dapat dibagi menjadi dua jenis: tiga subunit α dan tiga subunit β), manakala bagian "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit γ, dengan ujung tangkai menusuk ke dalam bola subunit α dan β. Baik subunit α dan β mengikat nukleotida, namun hanya subunit β yang mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F₁ pula terdapat sebuah subunit berbentuk batang yang menghubungakan subunit α dan β dengan dasar enzim.
Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui saluran ini, motor FO berotasi. Rotasi dapat disebabkan oleh perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c, menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit c. Cincin yang berotasi ini pada akhirnya akan memutar "as roda" (tangkai subunit γ). Subunit α dan β dihalangi untuk berputar oleh batang samping yang berfungsi sebagai stator. Pergerakan ujung subunit γ yang berada dalam bola subunit α dan β memberikan energi agar tapak aktif pada subunit β menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan kemudian melepaskan ATP.
Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai mekanisme perubahan ikatan (binding change mechanism) dan melibatkan tapak aktif subunit β yang berputar terus dalam tiga keadaan. Pada keadaan "terbuka", ADP dan fosfat memasuki tapa aktif (ditunjukkan dalam warna coklat pada diagram). Protein kemudian menutup dan mengikat ADP dan fosfat secara longgar (keadaan "longgar" ditunjukkan dalam warna merah). Enzim kemudian berubah bentuk lagi dan memaksa kedua molekul ini bersama, dengan tapak aktif dalam keadaan "ketat" (ditunjukan dalam warna merah jambu) dan mengikat molekul ATP yang terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke keadaan terbuka dan melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat, dan memulai siklus yang baru.
Pada beberapa bakteri dan arkaea, sintesis ATP didorong oleh pergerakan ion natrium yang melalui membran sel daripada pergerakan proton. Arkaea seperti Methanococcus juga mengandung A₁Aₒ sintase, sebuah bentuk enzim yang mengandung protein tambahan dengan kemiripan urutan asam amino yang kecil dengan subunit ATP sintase bakteri dan eukariota lainnya. Adalah mungkin bahwa pada beberapa spesies, bentuk enzim A₁Aₒ adalah ATP-sintase terspesialisasi yang digerakkan oleh natrium, namun ini tidaklah benar pada keseluruhan kasus.