Bioenergetika di Membran

Mata Kuliah : Fisiologi Prokariot

Bioenergetika di Membran

Proses bioenergetika di membran memanfaatkan aliran elektron (kemiosmosis), sesuai dengan teori kemiosmotik yang dikemukakan oleh Peter Mitchell. Proton ditransfer keluar sel kemudian terjadi potensial membran, proton kembali ke dalam sel (gradien konsentrasi menurun) sehingga kerja dapat dilakukan. Proton akan kembali melalui translokator proton (ATP sintase) hal itu dapat dibuktikan dengan menggunakan DCCD (N,N’– disiklohesil karbodiimide) inhibitor ATP sintase. Adapun kerja yang dilakukan diantaranya transpor, rotasi flagela, sintesis ATP, pengeluaran ion sodium, dll.

Bakteri mentranslokasi proton melewati membran dengan energi (kimia dan listrik) yang dikonservasi pada gradien proton. Jumlah perubahan energi listrik dan energi kimia disebut energi elektrokimia. Kerja elektrokimia merupakan fungsi dari potensial membranD Y dan perbedaan konsentrasi antara larutan yang dipisahkan oleh membran. Potensial membran: DY= Y_in - Y_out (volt), DY = (-) bila permukaan dalam membran bermuatan (-). Komponen Kimia [ DmH⁺ ] berfungsi mengubah energi kimia ke energi listrik untuk mendapatkan ekspresi dari energi elektrokimia [DmH+].

Ionofor adalah komponen organik yang membentuk kompleks dengan kation dan bersifat larut di lipid dan mudah melewati membran. Valinomisin berperan dalam transport K⁺ dan Rb⁺. Valinomisin dengan K⁺ akan menjalani transpor elektrogenik membentuk potensial membran. Bila valinomisin diberikan pada sel yang memiliki konsentrasi K⁺ yang tinggi, K⁺ akan cepat keluar terjadi potensial membran sementara. Bila K⁺ ekstraseluler yang berlebih dengan valinomisin maka K⁺ berdifusi ke dalam sel sehingga potensial membran hilang. Nigerisin berfungsi membawa K⁺ pengganti H⁺. Bila nigerisin dimasukkan ke dalam sel maka gradien pH hilang, potensial membran tidak menurun. Gramisidin, menjalani transpor elektrogenik H⁺ > Rb⁺, K⁺, Na⁺ kemudian erjadi equilibrasi proton melewati membran sel yang merusak DY dan DpH. Dinitrofenol, membuat influx H⁺ dan R^- ke dalam sel dan kembali ke luar sel tanpa H⁺, merusak DpH dan DY, uncoupler bagi fosforilasi oksidatif.

Memompa proton ke luar sel membutuhkan energi. Energi di dapat melaui reaksi eksergonik yaitu elektron berpindah ke potensial yang lebih tinggi dengan menggabungkan reaksi redoks dengan transpor proton. Selanjutnya respirasi bergabung dengan eflux ion Na⁺, terjadi pada beberapa halofil yang membutuhkan konsentrasi yang tinggi dari Na⁺. Misalnya Vibrio alginolyticum membuat DmNa⁺ melalui 2 cara: pada pH 6,5 dan 8,5. Ketiga, dapat melaui hidrolisis ATP pada bakteri yang melakukan fermentasi dan dikatalisis oleh proton terjadi translokasi dengan bantuan ATP-Synthase terikat membran. Mekanisme lain untuk menghasilkan DY atau Dp yaitu dengan dekarboksilasi transport sodium, bakteriorhodopsin merupakan pembentuk Dp dan halorhodopsin yang merupakan pompa cl yang dipicu cahaya pada halofil sehingga mengakumulasi Cl^- intraseluler untuk menjaga kestabilan osmotik.

Bioenergetika di Sitosol

Energi elektrokimia merupakan jenis energi yang memicu reaksi seluler yang disebabkan oleh gradien proto. Dalam bentuk molekul energi kimia memiliki energi yang tinggi, terjadi dalam membrane sel. Adapun fungsi dari molekul berenergi tinggi yaitu memicu biosintesis asam nukleat, protein, lipid, dan polisakarida di sitoplasmada berperan dalam pengambilan molekul ke dalam sel. Molekul berenergi tinggi mempunyai energi bebas yang tinggi dari hidrolisis ( ³ 2900 J),dan mempunyai potensial yang tinggi untuk mentransfer suatu grup molekul ke molekul akseptor. Grup yang umum ditransfer antar molekul adalah grup fosforil.

ATP dapat bertindak sebagai donor, misalnya AMP berperan dalam sintesis protein, ADP merpran dalam pembentukan polisakarida dan pirofosfat memproduksi ensim. Sedangkan PEP lebih energetik sebagai donor fosforil bila dibandingkan dengan ATP.

Grup asil adalah derivat dari asam karboksilat. Ensim yang didonorkan oleh grup asil yaitu transasilase pada sintesa lemak dan protein. CoA mendonorkan CoA transferase pada reaksi fermentasi dan fosfat menghasilkan ensim kinasE pada saat pembentukan ATP dari ADP. ATP memiliki peranan dalam membentuk ikatan amida, tioester dan ester. ATP disintesis di membran dengan fosfolirasi ADP dilanjutkan dengan fosfolrasi transpor elektron. ATP juga di sintesin di sitosol melalui fosfolirasi ADP dilanjutkan dengan fosfolirasi tingkat substrat.

TRANSFER ELEKTRON

Energi untuk proses fisiologi (biosintesis dan transpor solut) dihasilkan melalui proses penggabungan aliran elektron pada membran untuk menghasilkan gradien proton. Pembawa elektron berupa satu seri protein pembawa elektron dan lipid (quinone) yang dinamakan aliran elektron. Setiap pembawa elektron mempunyai potensial elektroda yang berbeda serta mentransfer elektron ke pembawa dengan potensial yang lebih tinggi.

Pada reaksi aerobik yang menjadi penerima elektron terakhir adalah oksigen sedankan pada annaerob adalah nitrat, sulfat atau fumarat, dll. Pembawa elktron dapat berupa protein (flavoprotein, protein FeS, sitokrom) dan lipid (quinone), yang terdapat di ensim multi protein kompleks yang disebut oksidoreduktase. Elektronnya dibawa oleh grup prostetik (molekul non protein yang terikat pada protein).

Grup prostetik flavoprotein adalah flavin (Fp, FAD, FMN), membawa elektron dan hidrogen. Flavin berupa vitamin riboflavin (vit B2) dan ada dua jenis yaitu Flavin mononukleotida (FMN) dan Flavin adenindinukleotida (FAD). Semua flavoprotein mempunyai FMN atau FAD → oksidasi yang dikatalisis dan potensial redoks berbeda. Quinone adalah lipid pembawa elektron dan hidrogen dari dan ke kompleks protein pembawa elektron yang tidak mobil. Bakteri mempunyai 2 tipe quinone yaitu Ubiquinone (UQ) di mitokondria, menaquinone MQ/MK pada derivat vit K.

Protein Besi Sulfur, grup prostetiknya klaster besi-sulfid/FeS atau Fe/S. Sulfur → lebih asam → pH turun 1 akan dihasilkan H₂S. Sitokrom adalah pembawa 1 elektron. Grup prostetiknya heme. Heme merupakan 4 cincin pirol dengan jembatan methene disebut tetrapirol. Di pusat heme ada atom besi yang terikat pada nitrogen di cincin pirol. Ada 4 sitokrom yaitu Cyt a, b, c, d dengan 4 heme (a, b, c, d).

~ Organisasi Pembawa Elektron Pada Bakteri

Rantai elektron antar bakteri berbeda tergantung kondisi pertumbuhan, kompleks dehidrogenase dan kompleks oksidase dihubungkan oleh Quinone. Bakteri mensintesis dan mensubstitusi kompleks dehidrogenase tergantung sumber elektron dan akseptor elektron. Perbedaan utama rantai transpor elektron pada bakteri dan mitokondria yaitu jalur menuju akseptor elektron terminal pada bakteri bercabang di quinone atau Cyt, Banyak bakteri dapat merubah rantai transpor elektron tergantung kondisi pertumbuhan.

Situs penghubungan adalah situs pada jalur transpor elektron dimana reaksi redoks digabung dengan translokasi proton dan terbentuk Dp. setiap situs penggabungan dilanjutkan dengan situs sintesis ATP.

Potensial Proton dapat dihasilkan melalui Loop Q atau siklus Q dan pompa proton. Karakter Loop Q, pembawa elektronnya bergantung antara yang membawa hidrogen dan elektron (flavoprotein dan quinone) dengan yang hanya membawa elektron (FeS dan Cyt). Flavoprotein dan protein FeS terdiri dari NADH dehidrogenase (dapat berupa situs penggabungan). Sedangkan siklus Q, terjadi pada kompleks bc₁. Pada bakteri kompleks bc₁ terdiri dari 3 polipeptida. Pompa proton mengkatalisa translokasi proton bukan elektron melalui membran.

Transpor elektron pada E. coli

E. coli adalah bakteri Gram - heterotrofik fakultatif anaerob → aerob, anaerob, fermentasi. Pada kondisi Aerob dibuat 2 macam kompleks sitokrom oksidase: Cyt bd (Cyt d) → ke oksigen e^- → UQ → oksidase terminal Oksidasenya : ubiquinol oksidase afinitas tinggi terhadap O₂. Cyt bo (Cyt o) → ke oksigen berupa pompa proton predominan bila tingkat O₂ tinggi. Ada 4 polipeptida yang berasosiasi. Polipeptidanya mengandung 2 atom Cu, 2 heme tipe b. Sedangkan kondisi annaerob hanya terjadi bila tak ada oksigen, oksigen menekan sintesis nitrat dan fumarat reduktase.

Transpor Elektron Pada Paracoccus denitrificans

Merupakan bakteri Gram - non fermentasi → respirasi aerobik atau nitrat. Pada kondisi aerob, selain Cyt o, masih memiliki kompleks bc₁, Cyt aa3 oksidase . P. denitrificans mempunyai 3 situs penggabungan: NADH dehidrogenase (NADH-ubiquinone oxidoreductase), Kompleks bc₁, dan Cyt aa₃ oksidase. Pada annaerob ada dua situs penggabungan yaitu NADH dehidrogenase dan Kompleks bc₁ .

Transpor Elektron Pada Wolinella succinogenes. Respirasi fumarat banyak terdapat pada bakteri yang tumbuh anaerob. W. succinogenes = gram ( - ), anaerob, dapat hidup dengan H₂ atau format.

Rantai transpor elektron terdiri dari ensim periplasmik yang mengoksidasi donor elektron, menaquinone terikat membran (MQ) = pembawa elektron intermediate, dan Fumarat reduktase terikat membran = menerima elektron dari MQ dan mereduksi fumarat (di situs sitoplasmik). Kompleks reduktase fumarat mengandung 3 subunit : Flavoprotein dengan FAD sebagai grup prostetiknya, mempunyai beberapa pusat FeS, mempunyai 2 heme tipe b yang mengikat fumarat reduktase ke membran