MITOKONDRIA [PDF]

Citation preview

1



BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Mitokondria adalah tempat di mana fungsi respirasi pada makhluk hidup berlangsung. Respirasi merupakan proses perombakan atau katabolisme untuk menghasilkan energi atau tenaga bagi berlangsungnya proses hidup. Dengan demikian, mitokondria adalah pembangkit tenaga bagi sel. Berdasarkan hipotesis endosimbiosis mitokondria berasal dari sel eukariotik yang bersimbiosis dengan prokariot (bakteri) sehingga membentuk organel sel. Adanya DNA pada mitokondria menunjukkan bahwa dahulu mitokondria merupakan entitas yang terpisah dari sel inangnya dan hipotesis ini ditunjang oleh beberapa kemiripan mitokondria dengan bakteri. Mitokondria ini menyerupai bakteri mulai dari bereproduksi dengan cara membelah diri menjadi dua, memiliki sistem genetik sendiri, dan memiliki ribosom. Ribosom mitokondria lebih mirip dengan bakteri dibandingkan dengan ribosom yang dikode oleh inti sel eukariot. Mitokondria banyak terdapat pada sel yang memilki aktivitas metabolisme tinggi dan memerlukan banyak ATP dalam jumlah banyak, misalnya sel otot jantung. Jumlah dan bentuk mitokondria bisa berbeda-beda untuk setiap sel. Mitokondria berbentuk elips dengan diameter 0,5µm–1,0µm dan panjang 1-3µm. Struktur mitokondria terdiri dari empat bagian utama, yaitu membran luar, membran dalam, ruang antar membran, dan matriks yang terletak di bagian dalam membran. Mitokondria berputar dan berubah bentuk menjadi bermacam macam konformasi. Satu mitokondria dapat menunjukkan perubahan bentuk dalam perjalanan waktu. Pada otot lurik dan sel sel lain yang mitokondrianya tidak terdapat bebas dalam sitosol plastisitas strukturnya berkurang. Plastisitas dan gerak mitokondria dalam sel menjamin penyebarluasan ATP di seluruh sel yaitu di tempat – tempat yang memerlukan ATP. Berdasarkan uraian latar belakang tersebut, maka perlu untuk menyusun sebuah makalah tentang mitokondria guna menambah wawasan kita tentang mitokondria.



2



B. Rumusan Masalah 1. Bagaimana struktur mitokondria? 2. Bagaimana mekanisme transport elektron? C. Tujuan 1. Untuk mengetahui struktur mitokondria. 2. Untuk mengetahui mekanisme transport elektron.



BAB II PEMBAHASAN A. Struktur Mitokondria Mitokondria menempati sebagian besar dari volume sitoplasma sel eukariotik, dan mitokondria telah berperan penting untuk evolusi hewan kompleks. Tanpa mitokondria, sel hewan masa kini harus bergantung pada glikolisis anaerob untuk produksi semua ATP sel hewan tersebut. Ketika glikolisis mengubah glukosa menjadi piruvat, ia melepaskan hanya sebagian kecil dari total energi bebas yang berpotensi tersedia dari oksidasi glukosa tersebut. Dalam



3



mitokondria, metabolisme gula disempurnakan menjadi berikut: piruvat yang diimpor ke mitokondria dan dioksidasi oleh O2 menjadi CO2 dan H20. Proses dalam mitokondria Ini memungkinkan 15 kali lebih ATP dibuat dari yang diproduksi oleh glikolisis saja. 1. Mitokondria Mitokondria biasanya digambarkan sebagai bentuk yang kaku, silinder memanjang dengan diameter antara 0,5 μm sampai 1 μm, ukuran tersebut menyerupai bakteri. Mitokondria merupakan organel yang sangat mobile (mengalami pergerakan), terus berubah bentuknya (Gambar 1). Karena mitokondria



bergerak



dalam



sitoplasma,



mitokondria



sering



tampak



terkait/menempel dengan mikrotubulus (Gambar 2). Pada sel yang lain mitokondria ada yang posisinya tetap, contohnya pada flagel sperma dan sel otot jantung, di mana mitondria tersebut memberikan ATP langsung ke situs konsumsi ATP yang luar biasa tinggi (Gambar 3).



Gambar 1. Perubahan yang Terjadi pada Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



Gambar 2. Hubungan antara Mitokondria dan Mikrotubulus (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



4



Gambar 3. Lokasi Mitokondria (a) Sel Otot Jantung; (b) Ekor Sel Sperma (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Mitokondria cukup besar untuk dapat dilihat menggunakan mikroskop cahaya, dan mitokondria pertama kali diidentifikasi selama abad kesembilan belas. Untuk alasan teknis, banyak dari penelitian biokimia dilakukan dengan mitokondria dimurnikan dari sel hati, karena setiap sel hati mengandung 10002000 mitokondria, yang secara total menempati sekitar seperlima dari volume sel. 2. Komponen Mitokondria Setiap mitokondria memiliki dua membran yang sangat khusus, yang memiliki fungsi yang sangat berbeda. Kedua membran tersebut bersama-sama menciptakan dua kompartemen mitokondria yang terpisah yaitu matriks internal dan ruang antarmembran (luas ruang antarmembran jauh lebih sempit dari matriks internal). Jika mitokondria dimurnikan dan kemudian difraksinasi menjadi komponen yang terpisah (Gambar 4), komposisi biokimia dari masing-masing dua membran dan dari ruang tertutup mitokondria dapat ditentukan. Mitokondria memiliki bagian berupa membran luar, membran dalam, matriks, dan ruang antar membran yang dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6 berikut.



5



Gambar 4. Fraksinasi Biokimia dari Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



Gambar 5. Struktur Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



6



Gambar 6. Skema Struktur Mitokondria (Sumber: Karp, Gerald. 2010) a. Membran Luar Membran luar mitokondria mengandung banyak molekul porin (Gambar 7), yaitu sejenis protein transportasi yang membentuk saluran besar melalui bilayer lipid. Membran luar ini menyerupai saringan yang permeabel untuk semua molekul berukuran ±5000 dalton, termasuk protein kecil. Molekul-molekul tersebut dapat memasuki ruang antarmembran, tapi kebanyakan dari molekulmolekul tersebut tidak dapat melewati membran dalam.



Gambar 7. Struktur Porins (Sumber: Karp, Gerald. 2010) b. Membran Dalam Membran dalam biasanya sangat berbelit-belit, membentuk serangkaian infoldings, yang dikenal sebagai krista, sebuah lekukan ke dalam matriks. Lekukan kedalam ini sangat meningkatkan luas membran dalam. Jumlah krista tiga kali lebih besar dalam mitokondria sel otot jantung daripada di mitokondria



7



sel hati, karena sel otot jantung membutuhkan ATP lebih besar. Ada juga perbedaan substansial dalam enzim mitokondria dari jenis sel yang berbeda. Bagian kerja utama dari mitokondria adalah matriks dan membran dalam yang mengelilinginya. Membran dalam sangat khusus. Bilayer lipid yang mengandung proporsi yang tinggi dari "ganda" cardiolipin fosfolipid. Cardiolipin adalah lipid yang tidak biasa dalam membran mitokondria bagian dalam karena memiliki empat asam lemak dari pada dua dan dapat membantu untuk membuat membran terutama kedap ion (Gambar 8). Membran ini juga mengandung berbagai protein transportasi yang membuatnya selektif permeabel untuk molekulmolekul kecil yang dimetabolisme atau dibutuhkan oleh banyak enzim mitokondria terkonsentrasi dalam matriks. Enzim matriks termasuk yang memetabolisme piruvat dan asam lemak untuk menghasilkan asetil CoA dan mereka yang mengoksidasi asetil CoA dalam siklus asam sitrat. Produk utama akhir oksidasi ini adalah CO2, yang dilepaskan dari sel sebagai pembuangan, dan NADH, yang merupakan sumber utama elektron untuk transportasi sepanjang rantai pernapasan/respirasi (nama yang diberikan ke rantai transpor elektron di mitokondria). Enzim-enzim rantai pernapasan/respirasi yang tertanam dalam membran mitokondria bagian dalam, dan mereka sangat penting untuk proses fosforilasi oksidatif, yang menghasilkan sebagian besar ATP pada sel hewan.



Gambar 8. Struktur Cardiolipin (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



8



c. Matriks Matriks merupakan ruang internal yang besar dan mengandung campuran sangat terkonsentrasi ratusan enzim, termasuk yang diperlukan untuk oksidasi piruvat dan asam lemak dan asam sitrat. Matriks juga mengandung beberapa salinan identik dari genom DNA mitokondria, ribosom mitokondria khusus (ukuran jauh lebih kecil dari yang ditemukan di sitosol), tRNA, dan berbagai enzim yang dibutuhkan untuk ekspresi gen mitokondria. d. Krista Krista merupakan lipatan dari membran dalam mitokondria. Lipatan krista ini bertujuan untuk meningkatkan luas permukaan membran. Pada mitokondria yang khas misalnya pada sel hati, daerah membran dalam (termasuk krista) sekitar lima kali lebih besar daripada membran luarnya. Karena luas permukaan yang besar, membran dalam dapat menampung sejumlah besar kompleks protein yang dibutuhkan untuk transpor elektron dan sintesis ATP, sehingga meningkatkan kapasitas generasi ATP pada mitokondria. e. Ruang antar Membran Ruang antarmembran ini berisi beberapa enzim yang menggunakan ATP lewat dari matriks untuk memfosforilasi nukleotida lainnya. f. DNA Mitokondria DNA mitokondria terkandung dalam matriks. DNA mitokondria melekat pada membran mitokondria bagian dalam. Struktur DNA mitokondria cenderung menyerupai bakteri daripada yang di kromatin eukariotik (seperti dalam bakteri DNA nya tidak memiliki protein histon). Molekul DNA mitokondria memiliki ukuran yang bervariasi. Ukuran kurang dari 6000 pasang nukleotida ada pada Plasmodium falciparum (parasit malaria manusia) dan untuk ukuran lebih dari 300.000 pasang nukleotida terdapat pada beberapa tanaman darat. Pada mamalia, genom mitokondria adalah lingkaran DNA sederhana dari sekitar 16.500 pasangan basa (kurang dari 0,001% dari ukuran genom inti).



9



Gambar 9. Berbagai Ukuran Genom Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) 3. Mitokondria berperan dalam respirasi aerobik Peran mitokondria dalam respirasi aerobik dapat dilihat pada gambar berikut ini.



Gambar 10. Peran mitokondria dalam respirasi aerobik. (Sumber: Hardin, Jeff. et all. 2012) Mitokondria memainkan peran sentral dalam respirasi aerobik. Kebanyakan produksi ATP dalam sel eukariotik terjadi di organel ini. Tahap 1: Oksidasi glukosa dan gula lain dimulai di sitosol dengan proses glikolisis menghasilkan piruvat. Tahap 2: Piruvat diangkut melintasi membran mitokondria bagian dalam



10



dan teroksidasi dalam matriks menjadi asetil CoA. Tahap 3: asetil CoA dari tahap 2 merupakan substrat utama yang digunakan dalam siklus asam trikarboksilat (TCA cycle). Asetil CoA juga dapat dibentuk oleh oksidasi b asam lemak. Tahap 4: Transpor elektron berlangsung pada krista/membran dalam mitokondria, molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari tahap 1, 2, dan 3. Transfer elektron dari koenzim menyediakan energi yang menggerakkan pompa proton melintasi membran yang berisi operator. Ini menghasilkan proton gradien elektrokimia melintasi membran. Tahap 5: Energi dari gradien proton digunakan sebagian untuk mendorong sintesis ATP dari ADP dan fosfat anorganik dalam proses yang dikenal sebagai fosforilasi oksidatif. 4. Struktur ATP Synthase ATP sintase adalah kompleks protein berbentuk jamur yang terletak di membran dalam mitokondria seperti tampak pada Gambar 11. ATP sintase terdiri dari dua komponen utama (Gambar 12) yaitu: F1 bagian kepala berbentuk bulat dan bagian basal disebut F0 terletak tertanam di membran dalam, dan dua bagian tersebut (F1 dan F0) dihubungkan oleh tangkai pusat dan tangkai perifer.



Gambar 11. Komponen Membran Mitokondria. (Sumber: Hardin, Jeff. et all. 2012)



11



Gambar 12. Kompenen ATP sintase (Sumber: Karp, Gerald. 2010) Bagian F1 dari ATP Sintase mengandung lima polipeptida yang berbeda yaitu α, β, δ, γ, dan ε, dengan perbandingan komposisi α3 : β3 : δ : γ : ε. Komposisi subunit α dan β diatur secara bergantian dalam kepala F1 dan bentuknya menyerupai segmen jeruk. Subunit γ memiliki letak dari ujung F1 ke F0 untuk membentuk tangkai pusat; subunit ε membantu melekatkan subunit γ ke dasar F0. Dasar F0, yang tertanam dalam membran plasma, terdiri dari tiga subunit polipeptida yang berbeda dengan rasio a1 : b2 : c10-14. Subunit c membentuk cincin berputar dalam membran; dua pasangan subunit b dari dasar F0 dan subunit δ yang ada di kepala F1 membentuk tangkai perifer yang memegang subunit α / β dalam posisi tetap; dan subunit ini mengandung saluran proton yang memungkinkan proton melintasi membran. Jumlah subunit di ring c memiliki jumlah antara 10 sampai 14 dapat dilihat pada Gambar 13.



Gambar 13. Subunit C pada ATP sintase (Sumber: Karp, Gerald. 2010)



12



B. Rantai Transpor Elektron dan Pompa Proton Proton dapat bergerak dengan cepat di sepanjang rantai dari ikatan hidrogen pada molekul air. Proton melalukan loncatan yang diindikasikan oleh panah biru, dan ion hidonium yang diindikasikan oleh bayangan hijau. Transfer elektron dapat menghasilkan transfer atom hidrogen, karena proton-proton diterima dari atau disumbangkan ke dalam air pada suatu sel. Contohnya, molekul A memilih sebuah elektron ditambah sebuah proton ketika direduksi dan B kehilangan sebuah elekton ditambah proton ketika dioksidasi. Atom Hidrogen tidak hanya terdapat pada semua karbon pada semua molekul biologi, tetapi juga di dalam molekul air. Proton di dalam air memiliki pergerakan tinggi. Proton bergerak melintas pada sebuah pompa protein pada lipid bilayer. Mereka mentransfer dari satu rantai asam amino ke yang lainnya melalui channel spesifik protein. Proton juga digunakan dalam transpor elektron. Sebuah molekul yang direduksi dengan memperoleh sebuah elektron, elektron akan membawa ion negatif. Dalam banyak kasus, penambahan proton H+ dari air yang ion netral, sehingga tidak ada efek reduksi, jadi tidak ada ion yang ditransfer dari atom hidrogen.



Gambar 14. Pergerakan Proton dalam Air (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Pada gambar dibawah ini, ketika terdapat molekul dioksidasi, sebuah atom hidrogen dihilangkan, elektron ditarnsfer ke molekul yang menerima elektron. Ketika proton dilalui oleh air. Sehingga, pada memnbran elektron dilalui oleh sepanjang rantai transpor elektron, memompa proton dari sisi membran ke membran lainnya secara sederhana. Elektron pembawa yang terdapat pada



13



membran, menyebabkan memilih sebuah proton dari satu sisi membran yang menerima sebuah elektron dan melepaskan proton pada sisi lain membran.



Gambar 15. Penghilangan Sebuah Atom Hidrogen pada Molekul yang Dioksidasi (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Pengukuran reaksi oksidasi reduksi atau reaksi redoks, diproses secara langsung bergantung pada perubahan energi bebas (delta G) yang mengalami perubahan karena adanya transfer elektron. Perubahan ini bergantung pada afinitas relatif dari dua molekul elektron-elektron. NADH sebagai pemberi elektron pada rantai respiratori. Sebagain besar, potensial redoks negatif, elektron yang memiliki afinitas yang lemah sehingga berperan sebagai pembawa untuk memberi elektron. Begitu juga sebaliknya pada potensial redoks positif, memiliki afinitas elektron tinggi sehingga menerima elektron. Perbandingan NADH dan NAD + memiliki potensial redoks -320 mV, mengindikasikan bahwa NADH memiliki tendensi kuat sebagai pemberi elektron. Oksidasi dari satu molekul NADH melepaskan lebih dari energi yang cukup untuk mensintesis molekul ATP dari ADP dan Pi, Dalam sistem kehidupan yang melibatkan enzim, NADH sebagai pemberi elektron secara langsung pada oksigen, untuk membentuk air, energi dilepaskan dalam bentuk panas. Banyak elektron pembawa berada di rantai transpor elektron. Sitokrom ditemukan pada tahun 1925, sebagai komponen yang mengalami kecepatan oksidasi dan reduksi di dalam kehidupan organisme yang menglami ketidakseimbangan seperti pada bakteri, ragi dan insekta. Sel diketahui mengandung



berbagai



macam



sitrokom



dengan



berbagai



tipe



dan



14



pengelompokkan ke dalam tipe-tipe yang belum memiliki fungsi yang tidak begitu penting. Sitokrom



merupakan



sekelompok



protein



yang



berwarna



yang



dihubungkan dengan ikatan kelompok heme, atom besi berubah dari tahap oksidasi ferric (Fe3+) menjadi oksidasi ferrous (Fe2+) . Proses ini menerima sebuah elektron. Kelompok heme terdiri dari sebuah cincin porphirin yang terikat dengan atom besi, ditahan oleh keempat atom nitrogen seperti pada gambar di bawah ini.



Gambar 16. Struktur Kimia Molekul Sitokrom (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Pada protein besi-sulfur, sekelompok elektron pembawa yang kedua, dua atau empat atom besi diikat jumlah atom sulfur yang sama dan menuju pada rantai sistein, membentuk pusat besi-sulfur pada protein. Terdapat lebih dari besi-sulfur yang berada dipusat dibandingkan sitrokom pada rantai respiratori.



Gambar 17. Struktur Kimia Dua Tipe Pusat Besi-Sulfur (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Pada gambar diatas, merupakan struktur dari dua tipe pusat besi-sulfur. (A) Tipe 2Fe2S yang berada di pusat. (B) tipe 4Fe4S yang berada di pusat. Walaupun



15



mereka memiliki berbagai atom besi, tiap atom besi-sulfur yang berada di pusat, dapat hanya membwa satu elektron dalam suatu waktu. Mereka memiliki lebih dari tujuh besi-sulfur yang berbeda yang berada di pusat di dalam rantai respiratory. Pembawa elektron sederhana pada rantai respiratori, bukan bagian dari protein yaitu uquinon (disebut ubiquinon atau coenzim Q). Sebuah quinon merupakan molekul hidrofobik kecil yang dapat bergerak bebas di dalam bilayer lipid dan memberi (donor) satu atau 2 elektron. Seperti pada gambar dibawah ini:



Gambar 18. Pembawa Elektron Quinon (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Besi-sulfur yang terletak dipusat memiliki afinitas elektron yang relativ rendah. Mereka lebih berperan pada bagian awal dari rantai respiratori, sitokrom lebih berperan pada pertengahan sampai akhir dari rantai dimana tingginya afinitas elektron diperlukan.



Gambar 19. Tiga Komplek Enzim Respiratori (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



16



Terdapat tiga komplek enzim respiratori yang terikat pada membran pada jalur NADH ke oksigen untuk identifikasi dan pemurnian. Tiap pemurnian dapat diinsersikan secara kompleks ke dalam bilayer lipid dan memompa proton melewati bilayer sebagai elektron. Pada mitokondria, ketiga kompleks tersebut, memiliki orientasi asimetri pada membran dalamnya, merak sebagai transpor elektron untuk mengendalikan pompa H+ yang memompa proton ke luar matriks. Tiga komplek enzim respiratori yang terikat pada membran pada jalur NADH ke oksigen sebagai berikut: 1.



Kompleks NADH dehidrogenase (secara umum dikenal sebagai komplex I) merupakan komplex enzim respiratory terbesar, mengandung lebih dari 40 rantai polipetida. Kompleks NADH dehidrogenase menerima elektron dari NADH , menuju ke flavin dan berahir ketujuh pusat besi sulfur lalu menuju ubiquinon. Ubiquinon mentransfer elektron elektron tersebut ke komplek enzim respiratory kedua yaitu komplex citokrom b-c1 .



2.



Komplex citokrom b-c1, mengandung sekurang-kurangnya 11 rantai polipetida yang berbeda dan berfungsi sebagai dimer. Tiap monomer mengandung tiga ikatan heme pada sitokrom dan protein besi sulfur. Komplek ini menerima elektron dari ubiquinon dan melewati sitokrom c yang membawa elektron-lektron tersbut ke komplex sitrokrom oksidase



3.



Kompleks sitokrom oksidase, juga berfungsi sebagai dimer, tiap monomer mengandung 13 rantai polipetida yag berbeda, mengandung 2 sitrokom dan dua atom tembaga. Komplek ini menerima satu elektron dari sitokrom c dan melewati meraka menuju ke oksigen. Sitokrom, pusat besi sulfur , dan atom tembaga dapat membawa satu



elektron. NADH memberi dua elektron, dan tiap molekul oksigen menerima empat elektron untuk menghasilkan air. Disana, terdapat berbgai elektron berkumpul dan tersebar sepanjang rantai tranpor elektron yang mengkoordinasi perubahan jumlah elektron yang dapat dilhat secara nyata pada sitokrom oksidase. Pada gambar dibawah ini, menunjukkan metode yang digunakan untuk menentukan jalur elektron di sepanjng rantai transpor elektron. Penanda merah menunjukkan semakin meningkatnya oksidasi. (A) Dibawah kondisi normal, ketika kondisi oksigen berlimpah, semua pembawa (carrier) mengalami oksidasi,



17



adanya penambahan inhibitor yang spesifik menyebabkan pembawa pada bagian downstream mengalami peningkatan oksidasi, dan pembawa pada upstream menjadi banyak mengalami reduksi. (B) Ketiadaan oksigen, semua pembawa mengalami reduksi secara optimal (warna abu-abu). Adanya penambahan oksigen dikonversikan ke tiap-tiap pembawa menyebakan ke kondisi oksidasi yang paling besar ada pada posisi pembawa down stream.



Gambar 20. Metode Penentuan Jalur Elektron Sepanjang Rantai Transpor Elektron (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Karena oksigen memiliki afinitas elektron yang tinggi. Oksigen melepaskan sebagian besar energi bebas ketika direduksi menjadi air. Pada evolusi respirasi seluler, O2 dikonversikan mejadi air, memungkinkan organisme mengendalikan banyak energi yang dapat diturunkan dari metabolisme anaerobik. Hal ini, menjadi alasan mengapa semua organisme tingkat tinggi melakuakn respirasi. Toleransi O2 yang dihirup di udara sangat penting untuk menjadi elektron pertama mengkontrol reaksi inisiasi katalisi enzim. Tetapi sekali oksigen menjadi satu elektron yang mengandung superoksida yang bersifat radikal (O 2-), hal ini menjadi berbahaya. Sel dapat menggunakan O 2 untuk respirasi jika sitokrom oksidase memegang onto oksigen pada pusat bimatelik kusus. Dimana diapit diantara sebuah atom besi yang berikatan dengan heme dan sebuah atom tembaga sampai memiliki 4 elekton, kemudian dua atom oksigen dari molekul oksigen dilepaskan sebagai 2 molekul air, seperti yang dapat dilihat pada gambar berikut.



18



Gambar 21. Reaksi O2 dengan Elektron di Sitokrom Oksidase (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Rekasi sitokrom oksidase mengandung sekitar 90% oksigen yang terdapat di sebagian besar sel. Sianida bersifat toxic karena dapat berikatan secara kuat dengan sel komoplek sitokrom oksidase yang dapat membuat transpor elektron berhenti, sehingga mengurangi produksi ATP secara besar-besaran. Struktur molekuler sitokrom oksidase berupa protein yang berbentuk dimer dari sebuah monomer dengan 13 subunit protein yang berbeda (masa monomer 204.000 dalton). Terdapat warna yang dikode oleh genom mitokondria, dan mereka membentuk inti dari enzim yang fungsional. Karena, elektron melwati protein ini, maka akan mengikat molekul oksigen, mereka menyebabkan protein memompa proton melewati membran sperti pada gambar diatas. Pada gambar ini, (A) Keseluruhan protein ditunjukkan pada posisi yang terletak pada membran dalam mitokondria, (B) elektron pembawa terletak pada sub unit I, dan II.



Gambar 22. Protein pada Membran Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



19



Dua komponen yang membawa elektron diantara tiga kompleks enzim dari rantai respirasi-ubiquinon-cytokrom c- berdifusi dengan cepat pada membran dalam mitokondria (tiap kompleks penerima dan pemberi sebuah elektron sekitar 5-20 milisekon). Transfer elektron sepanjang rantai respirasi berinteraksi spesifik secara fungsional diantara komponen rantai: tiap elktron pembawa berinteraksi dengan pembawa lainnya yang berdekatan dengannya pada sebuah sequen. Elektron berpindah diantara molekul yang membawa mereka melalui sistem biologi, tidak hanya bergerak disepanjang ikatan kovalen pada suatu molekul tetapi juga dapat meloncat melewati celah yang besarnya 2 nm. Potensial redox, mengubah sepanjang rantai transpor elektron pada mitokondria, potensial redox meningkat karena elektron mengalir turun pada rantai respiratory menuju oksigen. Strandart perubahan energi bebas pada transfer dari tiap dua elektron yang diberi dari NADH



Gambar 23. Potensial Redoks pada Rantai Transpor Elektron di Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) 1. Pompa H+ terjadi oleh Tiga Mekanisme Komplek Enzim yang Berbeda Beberapa kompleks enzim pernafasan memompa satu H+ per elektron melintasi membran dalam mitokondria, sedangkan yang lain memompa dua. Mekanisme rinci dimana transpor elektron digabungkan ke pemompaan H+ ini berbeda untuk tiga kompleks enzim yang berbeda. Dalam komplek sitokrom b-c1, quinon memiliki jalur yang jelas. Seperti disebutkan sebelumnya, quinon yang



20



mengambil sebuah H+ dari media berair bersamaan dengan setiap elektron itu membawa dan membebaskan elektron. Ubiquinone itu bebas bergerak dalam membran ganda lipid, jadi menerima elektron yang dekat dipermukaan dalam membran dan menyumbangkan elektrom ke sitokrom bc1 kompleks dekat permukaan luar, sehingga mentransfer satu H+ melewati lapisan ganda untuk setiap elektron yang diangkut. Dua proton dipompa per elektron dalam sitokrom bc1 kompleks. Serangkaian transfer elektron yang membuat ini mungkin masih sedang dikerjakan di tingkat atom, dibantu oleh struktur lengkap dari sitokrom b-c1 kompleks ditentukan oleh kristalografi sinarX.



Gambar 24. Struktur Atom Cytochrome B-Ci. Protein Ini adalah Suatu Dimer. Monomer 240.000-Dalton terdiri atas 11 Molekul Protein Berbeda di Dalam Binatang Menyusui. Ketiga Protein Diwarnai Membentuk Inti yang Fungsional Enzim Itu: Cytochrome B (Hijau), Cytochrome C1 ( Biru), dan Rieske Protein yang Berisi Suatu Iron-Sulfur Pusat (Warna Ungu). (A) Interaksi Tiga Protein Ini ke Seberang Dua Monomers. (B) Pengangkut Elektron Mereka, Bersama dengan Pintu Masuk dan Lokasi Jalan Keluar Untuk Elktron. Elektron pada Awalnya yang Didermakan oleh Ubiquinone Mengikuti Suatu Alur Satuan Listrik Positif dan Elektron Kompleks Memindahkan Reaksi Melalui/Sampai Protein yang Kompleks Mempertinggi Reaksi Redoks. Dari Proses Ini di mana Beberapa Elektron Kembali Ke Quinon Yang Disebut Siklus Q (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Transport elektron menyebabkan perubahan alosterik dalam konformasi protein yang juga dapat memompa H+, seperti H+ dipompa ketika ATP dihidrolisis oleh ATP sintase berjalan secara terbalik. Untuk kedua kompleks NADH dehidrogenase dan oksidasi sitokrom kompleks, nampaknya transpor elektron mendorong perubahan alosterik berurutan dalam konformasi protein dengan mengubah keadaan redoks dari komponen. Perubahan konformasi pada gilirannya



21



menyebabkan protein untuk memompa H+ melintasi membran dalam mitokondria. Jenis pompa H+ memerlukan setidaknya tiga konformasi yang berbeda untuk protein pompa.



Gambar 25. Suatu Model Umum untuk Pemompaan H+ (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Model ini untuk Pemompaan H+ oleh suatu transmembrane protein didasarkan pada mekanisme untuk digunakan oleh NADH dehydrogenase dan cytochrome



oxidase,



seperti



halnya



pompa



light-driven



procaryotic,



bacteriorhodopsin. Protein dikendalikan melalui suatu tiga siklus: A, B, dan C. Seperti ditandai oleh pengaturan jarak vertikal, perubahan protein mempunyai energi berbeda. Di dalam perubahan A, protein mempunyai suatu



gaya tarik



menarik yang tinggi untuk H+, menyebabkan pengambilan H+ pada bagian dalam selaput. Di didalam perubahan C, protein mempunyai gaya tarik menarik yang rendah untuk H+ menyebabkan melepaskan H+ pada bagian luar dari selaput . Transisi dari perubahan B ke perubahan C itu melepaskan H+ dengan energy menguntungkan, dan itu terjadi hanya karena dikendalikan allosterically digabungkan untuk suatu reaksi yang menguntungkan terjadi di tempat lain pada protein ( panah biru). Perubahan lain dari kedua konformasi AB dan C A menggunakan energy yang sedikit



dan prosesnya itu secapa spontan. Sebab



keseluruhan siklus A B C A pelepasan energy bebas, H + dipompa dari di dalam ( di dalam matrik mitochondria) keluar (ruang intermembran di dalam mitochondria). Karena NADH dehydrogenase dan cytochrome oxidase, memerlukan energi untuk transisi B C disajikan oleh transpot elektron, sedangkan untuk bacteriorhodopsin energi ini disajikan oleh cahaya.



22



Sejak tahun 1940-an, beberapa zat-seperti 2,4-dinitrophenol-telah dikenal untuk bertindak sebagai agen yang pelepas transport elektron akibat sinteis ATP. Penambahan dinitropenol ke dalam sel menyebabkan mitokondria untuk menigkatkan laju transpor elektron yang menghasilkan peningkatan oksigen untuk diambil yang merfeleksikan adanya suatu kontrol respirasi. Kontrol ini sebagai penghambat secara langsung untuk mempengaruhi gradien proton pada laju transpor elektron. Ketika gradien menurun, maka laju transpor elektron lambat begitu sebaliknya. 2. Kontrol Respirasi Penambahan uncoupler seperti dinitrophenol ke sel menyebabkan mitokondria



untuk



meningkatkan



transpor



elektron



secara



substansial,



mengakibatkan peningkatan dalam pengambilan oksigen yang mencerminkan adanya kontrol pernapasan. Kontrol respirasi, juga bagian dari sistem kontrol umpan balik yang berkoordinasi dengan laju glikolisis, asam lemak, siklus asam lemak dan transpor elektron. Contohnya ketika bekerja terlalu berlebihan, maka terjadi peningkatan ADP dan Pi. Enzim akan segera mengalirkan lebih banyak H+ ke dalam matrix dan terjadilah gradien proton elektrokimia secara lebih cepat, meningkatkan transpor elektron. Pada beberapa sel lemak yang terspesialisasi, respirasi mitokondria, secara normal dilepas dalam bentuk ATP. Pada beberapa sel seperti sel-sel lemak berwana coklat, sebagian besar energi dari oksidasi dilepas sebagai panas daripada dikonversi dalam bentuk ATP. Pada membran dalam mitondrian memiliki sebuag protein trasnpor kusus, disebut protein yang tidak berpasangan, yang membawa proton bergerak menuruni gradien proton tanpa melewati sintesis ATP. Protein tidak berpasangan ini memiliki pergantian fungsi, dengan menggasilkan



panas,



menyebabkan



sel



mengoksidasi



lebih



cepat



penyimpanan lemak mereka. Dan lebih memproduksi panas daripada ATP. Jaringan



ini mengandung



lemak



coklat



yang



membantu



hewan



untuk



melakukan hibernasi dan melindungi diri dari kondisi sensitif sepertihanlnya perlindungan tubuh bayi yang baru lahir dari dingin. Sebagian



besar,



sel



tersusun



atas



makromolekul,



yang



secara



langsung digunakan untuk pemulihan kembali umur sel. Ketika sel dan



23



organisme tidak tumbuh, molekul akan rusak dan harus diperbaiki melalui biosintesis. Pada penambahan ATP. Biosintesis pada sitosol memerlukan reduksi secara konstan dari NADPH dan karbon skeleton. Tahap biosintesisi yang



membutuhkan



karbon skeleton



untuk



memecah



gula.



Sementara



NADPH yang di produksi di dalam sitosol oleh jalur pemecahan gula (jalur pentosa fosfat sebual alternatif dari glikolisis). Tetapi dalam keadaaan bahan makanan berlebih ATP banyak didapatkan, mitokondria menghasilkan karbon skleton dan NADPH untuk pertumbuhan sel. Produksi sitrat di dalam matrix mitokondria oleh siklus asam sitrat yang akan ditransport menuruni gradien elektrokimia ke sitosol dimana metabolisme ini akan menghasilkan NADPH dan karbon skeleton untuk biosintesis. Sebagai contoh, terdapat bagian sel yang merespon signal pertumbuhan, sebagain besar asetil COA diproduksi di dalam sitosol dari sitrat yang diekpor dari mitokondria. Kecepatan produksi asam lemak dan strerol yang akan membangun membran baru. Mitondria juga sebagai buffer potensial redoks di dalam sitosol. Sel membutuhkan elektron penerima NAD+ secara konstant, untuk pusat reaksi glikolisis yang mengkonversi glyseraldehid 3-fosfat menjadi 1,3 bifosfoglisearta. NAD+ dikonversi menjadi NADH dalam proses tersebut, dan NAD+ dibutuhkan untuk perbaikan melalui transfer elektron NADH yang berenergi tinggi.



Gambar 26. Molekul ATP sebagai Pembawa Energi dalam Sel (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Elektron NADH akan digunakan untuk membantu mengendalikan fosforilasi oksidasi di dalam mitokondria. Tetapi membran dalam mitokondria bersifat impermeable terhadap NADH. Sehingga elektron dari NADH menjadi



24



molekul terkecil di dalam sitosol yang dapat berpindah ke membran dalam mitokondria. Ketika di dalam matrix, molekul kecil tersebuut mentransfer elektron NAD+ menjadi dalam bentuk NADH pada mitokondria. Dalam keadaan kelaparan, protein dalam tubuh kita, diubah menjadi asam amino, dan di import ke mitokondria dan di oksidasi sehingga menghasilkan NADH untuk memproduksi ATP. Di bawah kondisi yang berbeda dan reaksi yang berbeda, mitokondria memiliki fungsi penting untuk metabolisme seluler



Gambar 27. Peran Mitokondria dalam Metabolisme Sel selain Menghasilkan ATP (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Bakteri menggunakan sumber energi yang beranekaragam, seperti sel hewan, yang bersifat aerobik, mereka mensintesis ATP dari gula dan mengoksidasi CO2 dan H2O dengan glikolisis, siklus asam sitrat dan rantai respiratori di dalam membran plasma mereka, hal ini sama halnya dengan salah satu yang terjadi pada membran dalam mitokondria. Anaerobik lainnya menghasilkan energi dari glikolis (dengan peragian). Karena keberagaman ini, membran plasma dari sebagian besar bakteri mengandung ATP sintase yang memiliki kesamaan dengan satu mitokondria. Pada bakteri, yang menggunakan rantai transpor elektron, dapat menghasilkan energi, rantai transpor elektron memompa H + keluar dari sel dan memberi kekutan pada proton melewati membran plasma yang menetukan sintesis ATP untuk menghasilkan ATP. Pada bakteri lain, sintesis ATP bekerja secara berlawanan, menggunakan ATP yang diproduksi oleh glikolisis untuk memompa H+ dan sebuah gradian proton dapat melewati membran plasma. ATP dihasilkan dari proses fermenatsi.



25



Sebagian besar bakteri, tergolong anaerobik, terutama menggunakan seagai gradien proton yang mewati membran plasma. Hal ini dikendalikan dengan menggunakan flagela motor dan ini digunakan untuk memompa Na+ keluar dari bakterium melalui sebuah antipoter Na+ H+ dan memasukkan Na+ K+. Gradien ini juga digunakan untuk mengaktifkan transpor nutrin seperti sebagian asam amino dan banyaknya gula. Tiap nutrin dibawa ke sepanjang sel dengan satu atau lebih proton melalui sebuah simporter spesifik.



Gambar 28. Transport Pengendali H+ pada Bakteri (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Pada sel hewan, sebagian besart transpor melewati membran plasma yang dikendalikan oleh gradien Na+ (luar mengandung tingginya kadar Na+,bagian dalam sedikit Na+ yang dibentuk oleh pemompaan Na+ K+. Pada gambar di atas, tentang pentingnya



dilaksanakannya



transpor



ada bakteri. Sebuah proton



memiliki kekuatan melewati membran plasma memompa nutrin kedalam sel dan mengeluarkan Na+. (A).



Pada



bakteri



aerobik,



sebuah rantai



respiratory



memproduksi sebuah gradien elektrokimia proton melewati membran plasma, gradien ini digunakan untk mentrasnport beberapa nutrin ke dalam sel dan menghasilkan ATP. (B) Beberapa baketri tumbuh dibawah kondisi anaerobik untuk menghasilkan ATP dari glikolisis. Sintase ATP kemudian menghidrolisis beberapa ATP untuk



membentuk



gradien proton elektrokimia



yang



akan



mengendalikan proses transpor yang beragnatung pada rantai respiratory (A). Beberapa bakteri melakukan adaptasi di lingkungan alkalin. Mereka memiliki sitoplasma



yang



mengandung



PH



yang



fisiologis.



Sel-sel



tersebut,



mengasilkan gradien H+ secara elektrokimia yang akan dihalangi oleh besarnya



26



konsentrasi H+ pada arah yang salah (dibagian dalam memiliki H + lebih tinggi daripada di bagian luar). Sistem trasnpor dan flagela motor dikendalikan oleh perubahan Na+ dan Na+ dikendalikan oleh ATP sintese yang digunakan untuk menghasilkan ATP. C. Sistem Genetik Mitokondria 1. Pertumbuhan



Organel



dan



Pembelahan



Menentukan



Jumlah



Mitokondria dan Plastid dalam Suatu Sel Pada sel mamalia, DNA mitokondria menempati kurang dari 1% total DNA seluler. Pada sel lainnya, daun pada tumbuhan tingkat tinggi atau sel telur amfibi yang berukuran besar, banyak fraksi besar DNA seluler mungkin terdapat di dalam mitokondria atau kloroplas, dan suatu fraksi besar RNA dan sintesis protein ada di sana. Mitokondria dan plastik cukup besar untuk diobservasi dengan menggunakan mikroskop cahaya pada sel hidup. Sebagai contoh, mitokondria dapat divisualisasi melalui rekayasa genetika fusi protein mitokondria yang dikaitkan dengan Green Fluorescent Protien (GFP) dalam sel, atau sel dapat diinkubasikan dengan pewarna fluoresen yang secara spesifik diserap oleh mitokondria karena gradien elektrokimia melewati membran mereka.



Gambar 29. Fraksi DNA pada Mitokondria dan Kloroplas (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Beberapa gambar mendemonstrasikan bahwa mitokondria dalam sel hidup adalah dinamis– seringkali memisah, bergabung dan merubah bentuk. Pemisahan dan penggabungan dari organel-organel tersebutditutupi oleh suatu membran ganda dan mitokondrion harus menata integritas dari kompartemen mitokondria yang memisah selama proses tersebut. Jumlah dan bentuk mitokondria sangat



27



beragam dalam tipe sel yang berbeda dan dapat berubah dalam tipe sel yang sama dibawah kondisi fisiologis yang berbeda, mulai dari multi organel yang berbentuk bulat atau silinder sampai organel tunggal dengan struktur bercabang (retikulum). Penataan dikontrol oleh laju relatif pemisahan dan fusi mitokondrial, yang diregulasi melalui GTPase yang terdapat di dalam membran mitokondria. Sebagai tambahan, total masa organel setiap sel dapat diregulasi sesuai dengan kebutuhan. Sebagai contoh, peningkatan mitokondria (sebanyak 5-10 kali) terjadi ketika otot rangka yang beristirahat distimulasi secara cepat untuk berkontraksi selama periode yang panjang. Akan ada banyak copy mitokondria dan genom plastid dalam ruang yang tertutup oleh setiap membran dalam setiap organel. Tingkat fragmentasi organel menentukan jumlah genom yang terdapat dalam suatu organel tunggal; umumnya, suatu kompartemen tunggal mewadahi banyak.



Gambar 30. Sebuah Retikulum Mitokondria yang Dinamis (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Dalam banyak sel, replikasi DNA organel tidak terbatas pada fase S pada siklus sel, ketika DNA inti bereplikasi, tetapi terjadi selama siklus sel – diluar fase dengan pembelahan sel. Molekul DNA organel tampaknya diseleksi secara acak untuk replikasi, agar supaya dalam suatu siklus sel, replikasi lebih dari sekali dan lainnya tidak sama sekali. Meskipun demikian, dibawah kondisi konstan, proses ini diregulasi untuk memastikan bahwa total jumlah molekul DNA organel dalam setiap siklus sel, karena dibutuhkan jika setiap tipe sel menata jumlah konstan dari DNA organel. Dalam lingkungan khusus, sel dapat secara tepat mengontrol pemisahan organel. Dalam beberapa alga yang mengandung hanya satu atau



28



beberapa kloroplas, sebagai contoh, pemisahan organel sebelum sel membelah, pada permukaan yang identik dengan permukaan selanjutnya dari pembelahan sel.



Gambar 31. Fusi dan Fisi Mitokondria dan Kloroplas Memiliki Genom yang Bervariasi (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) 2. Mitokondria dan Kloroplas Mungkin Berevolusi dari Endosimbiosis Bakteri Karakteristik prokariot dari sistem genetik organel, khususnya yang paling menyolok pada kloroplas, menyiratkan bahwa mitokondria dan kloroplas berevolusi dari bakteri yang mengalami endositosis lebih dari 1 miliar tahun lalu. Sesuai dengan hipotesis endosimbiosis ini, sel eukariotik dinyatakan sebagai organisme anaerobik tanpa mitokondria atau kloroplas berkaitan endosimbiotik dengan bakteri, yang memiliki sistem fosforilasi oksidatif yang dirusak untuk untuk digunakan mereka sendiri. Sesuai dengan hipotesis ini, kejadian endositosis yang memicu perkembangan mitokondria terjadi ketika oksigen memasuki atmosfer dalam jumlah besar, lebih dari 1.5 x 10 9 tahun lalu, sebelum hewan dan tumbuhan menyebar.



29



Gambar 32. Jalur Evolusi Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Banyak gen-gen pengkode protein mitokondria dan kloroplas terdapat di dalam inti sel. Dengan demikian, transfer ekstensif gen-gen dari organel ke DNA inti harus terjadi selama evolusi eukariot. Keberhasilan transfer tipe ini diperkirakan sangat jarang terjadi, karena suatu gen bergerak dari DNA organel untuk berubah menjadi suatu gen fungsional inti; harus beradaptasi dengan transkripsi inti dan sitoplasmik dan membutuhkan translasi, dan juga mendapatkan suatu urutan signal sehingga pengkode protein dapat dikirimkan ke organel setelah disintesis dalam sitosol. Meskipun demikian, ada bukti bahwa beberapa gen ditransfer ke inti untuk selanjutnya terjadi pada beberapa organisme saat ini. Transfer gen menjelaskan mengapa banyak geninti yang mengkode protein mitokondria dan kloroplas menyerupai gen bakteri. Urutan asam amino enzim superoksida dismutasemitokondria ayam, sebagai contoh, lebih mirip dengan enzim bakteri daripada kemiripannya dengan superoksida dismutase yang ditemukan di dalam sitosol pada sel eukariotik yang sama. Transfer gen tampaknya merupakan suatu proses gradual. Ketika genom mitokondria yang mengkode sejumlah protein berbeda dibandingkan, suatu pola urutan reduksi dari



30



fungsi mitokondria yang dikodekan akan muncul. Yang paling kecil dan kayaknya lebih berkembang genom mitokondria, sebagai contoh, mengkode hanya beberapa protein membran dalam terlibat reaksi transport elektron, ditambah RNA ribosomal dan beberapa rRNA. Genom mitokondria yang tetap kompleks cenderung untuk mengandung bagian yang sama, ditambah bagian lainnya.



Gambar 33. Perbandingan Genom Mitokondria (Sumber: Alberts, Bruce. 2008)



Genom yang paling kompleks dikarakterisasi melalui keberadaan banyak gen-gen ekstra dibandingkan dengan genom mitokondria hewan dan yeast. Banyak dari gen-gen tersebut mengkonde komponen sistem genetik mitokondria, seperti subunit RNA polimerase dan protein ribosomal; gen-gen tersebut ditemukan di dalam inti sel organisme yang telah mereduksi isi DNA mitokondria mereka. Bakteri tipe apakah yang berkembang di dalam mitokondrion? Dari perbandingan urutan, tampak bahwa mitokondria telah diturunkan dari tipe khusus bakteri ungu fotosintetik yang sebelumnya kehilangan kemampuannya untuk melakukan fotosintesis dan hanya menyisakan rantai respirasi.



3. Mitokondria Memiliki Suatu Penggunaan Kodon yang kurang dan Dapat Memiliki Suatu Varian Kode Genetik



31



Ukuran genom mitokondria manusia yang relatif lebih kecil membuatnya menjadi target menarik untuk proyek sekuensing DNA, dan pada tahun 1981, peneliti



mempublikasikan



urutan



lengkap



16.569



nukleotida.



Dengan



membandingkan urutan ini dengan urutan mitokondria yang telah diketahui dan dengan urutan asam amino tertentu yang tersedia untuk mengkonde protein melalui DNA mitokondria, semua gen mitokondria manusia telah dipetakan pada molekul DNA sirkular. Dibandingkan dengan inti, kloroplas, dan genom bakteri, genom mitokodria manusia memiliki sifat yang mengejutkan: 1. Kemasan gen yang padat (dense gene packing). Tidak seperti organisme lain, hampir setiap nukleotida tampak menjadi bagian dari urutan pengkode, baik untuk suatu protein atau untuk satu rRNA atau tRNA. Karena urutan pengkode tersebut berjalan secara langsung satu dengan lainnya, ada ruang yang sangat kecil untuk pengaturan urutan DNA. 2. Pemakaian Kodon lebih sedikit (relaxed codon usage). Meskipun ada 30 atau banyak asam amino spesifik tRNA dalam sitosol dan kloroplas, hanya 22 tRNA yang dibutuhkan untuk sintesis protein mitokondria. Aturan normalpasangan kodon-antikodon lebih longgar di dalam mitokondria, dengan demikian banyak molekul tRNA mengenali nukleotida papaun pada posisi ketiga dari empat nukleotida (Wobble). Dengan demmikian pasangan “2 dari “3 memungkinkan satu tRNA untuk berpasangan dengan satu dari empat kodon dan mengizinkan sintesis protein dengan sedikit molekul tRNA. 3. Varian Kode Genetik. Yang mungkin paling mengejutkan, perbandingan urutan gen mitokondria dan urutan asam amino dari protein yang berhubungan mengindikasikan bahwa kode genetik adalah berbeda; 4 dari 64 kodon memiliki arti yang berbeda dari kodon yang sama dalam genom yang lain .



32



Gambar 34. Organisasi Genom Mitokondria Manusia (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Kesamaan yang paling dekat dengan kode genetik dalam semua organisme memberikan bukti yang kuat bahwa semua sel telah berevolusi dari leluhur bersama. Bagaimana kita menjelaskan beberapa perbedaan dalam kode genetik dalam banyak mitokondria? Petunjuk dari temuan bahwa kode genetik mitokondria berbeda pada organisme yang berbeda. Dalam mitokondria dengan jumlah besar gen, bahwa protozoa Reclinomonas, kode genetika tidak berubah dari kode genetik standar inti sel. Tetapi UGA, yang merupakan kodon stop di tempat lain, dibaca sebagai triptofan dalam mitokondria malaria, fungi, dan invertebrata. Demikian pula, kodon AGG secara normal mengkode arginin, tetapi ia mengkode stop dalam mitokondria mamalia dan kode serin dalam mitokondria dari Drosophila. Beberapa variasi menyiratkan bahwa aliran acak dapat terjadi dalam kode genetik mitokondria. Agaknya, jumlah kecil protein yang dikode oleh genom mitokondria membuat suatu perubahan tertentu dalam arti dari kodon yang dapat ditoleransi, sedangkan beberapa perubahan dalam genom yang lebih besar akan merusak fungsi dari banyak protein dan disamping merusak sel. 4. Mitokondria dan kloroplas memiliki sistem genetik sendiri Mitokondria dan kloroplas membutuhkan sistem genetiknya yang terpisah, ketika organel lainnya berbagi sitoplasma yang sama, seperti peroksisom dan lisosom karena penataan suatu sistem genetik yang terpisah adalah sangat mahal; lebih dari 90 protein–termasuk banyak protein ribosom, aminoasil-tRNA sintetase dan RNA polimerase, dan enzim RNA-processing dan RNA-modifying–harus dikode oleh gen inti secara khusus untuk tujuan. Urutan asam amino dari banyak



33



protein tersebut dalam mitokondria dan kloroplas adalah berbeda dari pasangannya dalam inti dan sitosol, dan ini tampak bahwa organel-organel tersebut relatif lebih sedikit protein dibuat di dalam mitokondria dan kloroplas seharusnya dibuat disana dibanding di dalam sitosol.



Gambar 35. Asal Usul Mitokondria RNA dan Protein (Sumber: Alberts, Bruce. 2008) Subunit protein di dalam berbagai kompleks enzim mitokondria adalah sangat terkonservasi dalam evolusi, tetapi sisi sintesisnya. Namun demikian, dua gen pengkode protein, cox1 dan cob, terdapat dalam semua genom mitokondria. Protein yang dikode oleh gen-gen tersebut mungkin harus masukan secara kontranslasional ke dalam membran dalam melalui ribosom mitokondria. Kemungkinan lain, sistem genetik organel dapat dipastikan mengalami akhir kematian evolusioner. Dalam konteks hipotesis endosimbiosis, hal ini dapat berarti bahwa proses dimana endosimbiosis proses transfer gen mereka pada inti dihentikan sebelum proses tersebut berakhir lengkap. Transfer selanjutnya mungkin dikesampingkan, untuk mitokondria, melalui perubahan dalam kode



34



genetik mitokondria yang membuat sisa gen mitokondria nonfungsional jika mereka ditransfer ke nukleus.



35



BAB III PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan uraian yang telah dijelaskan di atas, berikut adalah kesimpulan dari makalah ini. 1. Mitokondria adalah organel penghasil energi. Mitokondria merupakan organel yang sangat mobile (mengalami pergerakan) dan terus berubah bentuknya. Oleh karena itu, berkaitan dengan mitokondria yang senantiasa bergerak dalam sitoplasma maka mitokondria sering tampak terkait/menempel dengan mikrotubulus. Pada sel yang lain, mitokondria ada yang posisinya tetap contohnya pada flagel sperma dan sel otot jantung, di mana mitondria tersebut memberikan ATP langsung ke situs konsumsi ATP yang luar biasa tinggi. Komponen struktur mitokondria terdiri dari membran luar, membran dalam, krista, matriks, ruang antar membran, DNA Mitokondria. Mitokondria berperan dalam respirasi aerobik dan transport electron yang didukung oleh adanya ATP synthase. 2. Transpor elektron adalah mekanisme pengubahan energi tak langsung yakni NADH dan FADH yang telah dihasilkan pada Glikolisis, Dekarboksilasi oksidatif, dan Siklus Krebs menjadi energi langsung yakni ATP. Pada proses transfer elekton, NADH dapat mengahasilkan 3 mol ATP sedangkan FADH menghasilkan 2 ATP. Proses transpor elektron ini terjadi di krista (membran dalam) mitokondria dengan mnenghasilkan 34 ATP dari pengubahan seluruh NADH dan FADH dari 1 molekul glukosa. B. Saran 1. Kepada para pembaca diharapkan dapat memahami mekanisme yang terjadi di



dalam sel dan untuk kajian materi ini khususnya mitokondria dan transport elektron untuk bekal kedepannya sebagai calon pendidik. 2. Untuk penulis selanjutnya agar melengkapi makalah ini dengan sumber-



sumber yang lebih banyak, terupdate dan disertai dengan jurnal yang terkait.



36



DAFTAR RUJUKAN Alberts, Bruce., Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Rafi Keith Roberts, and Peter Walter. 2008. Molecular Biology. United States of America : John Wiley & Sons, Inc. Hardin, Jeff; Bertoni, Gregory; Kleinsmith, Lewis, J. 2012. BECKER’S World of the Cell Eighth Edition. St.San Francisco: Pearson Benjamin Cummings. Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments 6th edition. United States of America : John Wiley & Sons, Inc.