Ringkasan Konversi Energi [PDF]

Citation preview

Nama



: Talitha Zakia



NIM



: 2206203010007



Mata Kuliah : Bio Sel



Konversi energi: Mitokondria dan Kloroplas Sebagian besar ATP pada Sel eukariotik yang menggerakkan proses kehidupan diproduksi oleh organel pengubah energi khusus yang tertutup membran. Ada dua jenis yaitu Mitokondria yang terdapat di hampir semua sel hewan, tumbuhan, dan jamur, membakar molekul makanan untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif dan Kloroplas, yang hanya terjadi pada tumbuhan dan ganggang hijau, memanfaatkan energi matahari untuk menghasilkan ATP melalui fotosintesis. Dalam mikrograf elektron, fitur paling mencolok dari mitokondria dan kloroplas adalah sistem membran internalnya yang luas. Membran internal ini mengandung set kompleks protein membran yang bekerja sama untuk menghasilkan sebagian besar ATP sel. Asal usul evolusi umum dari mesin pengubah energi di mitokondria, kloroplas dan prokariota (archaea dan bakteri) tercermin dalam mekanisme dasar yang mereka bagi untuk memanfaatkan energi. Ini dikenal sebagai kopling kemiosmotik, menandakan hubungan antara reaksi pembentukan ikatan kimia yang menghasilkan ATP ("kimia") dan proses transport membran. Gambar 14-1 Sistem membran bakteri, mitokondria, dan kloroplas saling berhubungan. Mitokondria dan kloroplas adalah organel sel yang berasal dari bakteri dan telah mempertahankan mekanisme konversi energi bakteri. Seperti nenek moyang bakteri mereka, mitokondria dan kloroplas memiliki membran luar dan dalam. Masing-masing membrane berwarna dalam diagram ini mengandung rantai transpor elektron pemanen energi. Invaginasi dalam mitokondria membran dalam dan system membran internal kloroplas masing- masing menampung mesin untuk respirasi seluler dan fotosintesis.



Gambar



14–2



Tahap



1



kopling



kemiosmotik. Energi dari sinar matahari atau



oksidasi



senyawa



makanan



ditangkap untuk menghasilkan gradien proton elektrokimia melintasi membran. Gradien elektrokimia berfungsi sebagai penyimpan



energi



serbaguna



yang



mendorong energi yang membutuhkan reaksi di mitokondria, kloroplas, dan bakteri.



Proses kemiosmotik terjadi dalam dua tahap terkait, yang keduanya dilakukan oleh kompleks protein dalam membrane : Tahap 1: Elektron berenergi tinggi (berasal dari oksidasi molekul makanan, dari pigmen yang tereksitasi oleh sinar matahari, atau dari sumber lain yang dijelaskan kemudian) ditransfer sepanjang serangkaian kompleks protein transpor elektron yang membentuk rantai transpor elektron tertanam dalam sebuah membran. Setiap transfer elektron melepaskan sejumlah kecil energi yang digunakan untuk memompa proton (H+) dan dengan demikian menghasilkan gradien elektrokimia yang besar melintasi membrane. Gradient elektrokimia semacam itu menyediakan cara untuk menyimpan energi, dan dapat dimanfaatkan untuk melakukan pekerjaan yang berguna ketika ion mengalir kembali melintasi membran. Tahap 2: Proton mengalir kembali menuruni gradien elektrokimianya melalui mesin protein membran rumit yang disebut ATP sintase, yang mengkatalisis produksi ATP dari ADP dan fosfat anorganik (Pi). Enzim yang ada di mana-mana ini bekerja seperti turbin di dalam membran, yang digerakkan oleh proton, untuk mensintesis ATP. Dengan cara ini, energi yang berasal dari makanan atau sinar matahari pada tahap 1 diubah menjadi energi kimia ikatan fosfat dalam ATP. Elektron bergerak melalui kompleks protein dalam sistem biologis melalui ion logam yang terikat erat atau pembawa lain yang mengambil dan melepaskan elektron dengan mudah, atau oleh molekul kecil khusus yang mengambil elektron di satu lokasi dan mengirimkannya ke lokasi



lain. Untuk mitokondria, pembawa elektron pertama adalah NAD+, molekul kecil yang larut dalam air yang mengambil dua elektron dan satu H+ yang berasal dari molekul makanan (lemak dan karbohidrat) untuk menjadi NADH. NADH mentransfer elektron ini dari tempat di mana molekul makanan terdegradasi ke membran mitokondria bagian dalam. Di sana, elektron dari NADH yang kaya energi dilewatkan dari satu kompleks protein membran ke kompleks protein berikutnya, berpindah ke senyawa berenergi lebih rendah pada setiap langkah, hingga mencapai kompleks akhir di mana mereka bergabung dengan molekul oksigen (O 2) untuk menghasilkan air. Energi yang dilepaskan pada setiap langkah saat elektron mengalir melalui jalur ini dari NADH yang kaya energi ke molekul air berenergi rendah mendorong pompa H + di membran mitokondria bagian dalam, menggunakan tiga kompleks protein membran yang berbeda. Bersama-sama, kompleks ini menghasilkan gaya gerak proton yang dimanfaatkan oleh ATP sintase untuk menghasilkan ATP yang berfungsi sebagai mata uang energi universal di seluruh sel.



Gambar 14–3 Tahap 2 kopling kemiosmotik. ATP sintase (kuning) tertanam dalam lapisan ganda lipid membran memanfaatkan gradien proton elektrokimia melintasi membrane, menggunakannya sebagai penyimpan energy lokal untuk mendorong sintesis ATP. Panah merah menunjukkan arah pergerakan proton melalui ATP sintase.



Perbandingan proses transpor elektron di mitokondria, yang memanfaatkan energi dari molekul makanan, dengan proses di kloroplas, yang memanfaatkan energi dari sinar matahari. Sistem konversi energi mitokondria dan kloroplas dapat dijelaskan dalam istilah yang sama, dan kita akan melihat nanti di bab bahwa dua komponen kunci mereka terkait erat. Salah satunya adalah ATP sintase, dan yang lainnya adalah pompa proton (berwarna hijau pada Gambar 14–4).



Gambar 14–4 Proses transpor elektron. (A) Mitokondria mengubah energi dari bahan bakar kimia. (B) Kloroplas mengubah energi dari sinar matahari. Dalam kedua kasus, aliran elektron ditunjukkan oleh panah biru. Setiap kompleks protein (hijau) tertanam dalam membran. Di mitokondria, lemak dan karbohidrat dari molekul makanan dimasukkan ke dalam siklus asam sitrat dan menyediakan elektron untuk menghasilkan senyawa kaya energi NADH dari NAD +. Elektron-elektron ini kemudian mengalir menuruni gradien energi saat mereka berpindah dari satu kompleks ke kompleks berikutnya dalam rantai transpor elektron, sampai mereka bergabung dengan molekul O2 di kompleks terakhir untuk menghasilkan air. Energi yang dilepaskan pada setiap tahap dimanfaatkan untuk memompa H + melintasi membran. Dalam kloroplas, sebaliknya, elektron diekstraksi dari air melalui aksi cahaya di kompleks fotosistem II dan molekul O 2 dilepaskan. Elektron diteruskan ke kompleks berikutnya dalam rantai, yang menggunakan sebagian energinya untuk memompa proton melintasi membran, sebelum diteruskan ke fotosistem I, di mana sinar matahari menghasilkan elektron berenergi tinggi yang bergabung dengan NADP + untuk menghasilkan NADPH. NADPH karbon bersama dengan CO2 untuk menghasilkan karbohidrat.



Energi cahaya dan daya transfer elektron, tidak seperti fotosel di panel surya. Kloroplas mendorong transfer elektron ke arah yang berlawanan dengan yang ada di mitokondria: elektron diambil dari air untuk menghasilkan O2, dan elektron ini digunakan (melalui NADPH, molekul yang terkait erat dengan NADH yang digunakan dalam mitochon dria) untuk mensintesis karbohidrat dari CO2 dan air. Karbohidrat ini kemudian berfungsi sebagai sumber untuk semua senyawa lain yang dibutuhkan sel tumbuhan. Jadi, baik mitokondria maupun kloroplas menggunakan rantai transfer elektron untuk menghasilkan gradien H+ yang menggerakkan reaksi yang penting bagi sel. Namun, kloroplas menghasilkan O 2 dan mengambil CO2, sedangkan mitokondria mengkonsumsi O2 dan melepaskan CO2 (lihat Gambar 14–4).



1. MITOKONDRIA Mitokondria menempati hingga 20% dari volume sitoplasma sel eukariotik. Meskipun mereka sering digambarkan sebagai tubuh pendek seperti bakteri dengan diameter 0,5-1 m, mereka sebenarnya sangat dinamis dan plastis, bergerak di sekitar sel, terus berubah bentuk, membelah, dan menyatu. Mitochondria sering dikaitkan dengan sitoskeleton mikrotubulus, yang menentukan orientasi dan distribusinya dalam tipe sel yang berbeda. Jadi, dalam sel yang sangat terpolarisasi seperti neuron, mitokondria dapat bergerak jarak jauh (sampai satu meter atau lebih di akson neuron yang diperpanjang), didorong sepanjang jalur sitoskeleton mikrotubulus. Di sel lain, mitokondria tetap pada titik permintaan energi yang tinggi; misalnya, dalam sel otot rangka atau jantung, mereka berkumpul di antara miofibril, dan dalam sel sperma mereka membungkus erat di sekitar flagel (Gambar 14-6). Mitokondria juga berinteraksi dengan sistem membran lain dalam sel, terutama retikulum endoplasma (ER). Kontak antara mitokondria dan RE menentukan domain khusus yang dianggap memfasilitasi pertukaran lipid antara dua sistem membran. Kontak ini juga tampaknya menginduksi mitokondria fisi, yang, seperti yang akan kita bahas nanti, terlibat dalam distribusi dan partisi mitokondria di dalam sel (Gambar 14-7). Akuisisi mitokondria merupakan prasyarat untuk evolusi hewan kompleks. Tanpa mitokondria, sel hewan masa kini harus menghasilkan semua ATP mereka melalui glikolisis anaerobik. Ketika glikolisis mengubah glukosa menjadi piruvat, ia melepaskan hanya sebagian kecil dari total energi bebas yang berpotensi tersedia dari oksidasi glukosa. Di mitokondria, metabolisme gula selesai: piruvat diimpor ke dalam mitokondria dan akhirnya dioksidasi oleh O 2 menjadi CO2 dan H2O, yang memungkinkan 15 kali lebih banyak ATP dibuat dari gula daripada dengan glikolisis saja. Seperti dijelaskan kemudian, ini menjadi mungkin hanya ketika oksigen molekuler yang cukup terakumulasi di atmosfer bumi untuk memungkinkan organisme untuk mengambil keuntungan penuh, melalui respirasi, dari sejumlah besar energi yang berpotensi tersedia dari oksidasi senyawa organik. Mitokondria cukup besar untuk dilihat di mikroskop cahaya, dan ukurannya pertama kali diidentifikasi pada abad kesembilan



dalam memahami struktur dan fungsi internal mereka,



bagaimanapun, bergantung pada prosedur biokimia yang dikembangkan pada tahun 1948 untuk



mengisolasi mitokondria utuh, dan pada mikroskop elektron, yang pertama kali digunakan untuk melihat sel pada waktu yang hampir bersamaan. Gambar 14–6 Lokalisasi mitokondria di dekat lokasi permintaan ATP yang tinggi di otot jantung dan ekor sperma. (A) Otot jantung di dinding jantung adalah otot yang



paling



banyak



digunakan



dalam



tubuh,



dan



kontraksinya yang terus-menerus membutuhkan suplai energi yang andal. Ini memiliki simpanan energi bawaan yang terbatas dan harus bergantung pada pasokan ATP yang stabil dari mitokondria berlebihan yang disejajarkan dekat dengan miofibril kontraktil (lihat Gambar 16-32). (B) Selama perkembangan sperma, mikrotubulus berputar secara heliks di sekitar aksonema flagela, di mana mereka dianggap membantu melokalisasi mitokondria di ekor untuk menghasilkan struktur yang ditunjukkan.



 Mitokondria Memiliki Membran Luar dan Dalam Kedua membran mitokondria memiliki fungsi dan sifat yang berbeda, dan menggambarkan kompartemen terpisah di dalam organel. Membran bagian dalam, yang mengelilingi kompartemen matriks mitokondria internal (Gambar 14-8), sangat terlipat untuk membentuk invaginasi yang dikenal sebagai krista (tunggalnya adalah krista), yang mengandung protein rantai transpor elektron di dalam membrannya. Di mana membran dalam berjalan sejajar dengan membran luar, di antara krista, itu dikenal sebagai membran batas dalam. Celah sempit (20–30 nm) antara membran batas dalam dan membran luar dikenal sebagai ruang antarmembran. Krista adalah sekitar 20 nm lebar cakram membran atau tubulus yang menonjol jauh ke dalam matriks dan membungkus ruang krista. Membran krista terus menerus dengan membran batas bagian dalam, dan di mana membran mereka bergabung, membran membentuk tabung membran sempit atau celah, yang dikenal sebagai persimpangan krista. Seperti membran luar bakteri, membran luar mitokondria secara bebas permeabel terhadap ion dan molekul kecil sebesar 5000 dalton. Ini karena mengandung banyak molekul porin, kelas khusus protein membran tipe -barrel yang menciptakan pori-pori berair melintasi membran (lihat Gambar 10–23). Akibatnya, ruang antarmembran antara membran luar dan dalam memiliki pH dan komposisi ionik yang sama dengan sitoplasma, dan tidak ada gradien elektrokimia melintasi membran luar.



Gambar 14–8 Struktur mitokondria. (A) Irisan tomografi melalui peta tiga dimensi mitokondria jantung tikus yang ditentukan oleh tomografi mikroskop elektron. Membran luar membungkus membran batas dalam. Membran bagian dalam sangat terlipat menjadi krista tubular atau pipih, yang merambah matriks. Matriks padat, yang mengandung sebagian besar protein mitokondria, tampak gelap di mikroskop elektron, sedangkan ruang antarmembran dan ruang krista tampak terang karena kandungan proteinnya yang lebih rendah. Membran batas dalam mengikuti membran luar secara dekat pada jarak 20 nm. Membran bagian dalam berbelok tajam di persimpangan krista, di mana krista bergabung dengan membran batas bagian dalam. (B) Bagian yang dirender permukaan tomografi dari mitokondria ragi, menunjukkan bagaimana krista pipih memproyeksikan ke dalam matriks dari membran bagian dalam (Film 14.2). (C) Gambar skema mitokondria yang membran luar (abu-abu), dan membran dalam (kuning). Perhatikan bahwa membran bagian dalam dibagi menjadi membran batas bagian dalam dan membran krista. Ada tiga ruang yang berbeda: ruang membran dalam, ruang krista, dan matriks. (A, milik Tobias Brandt; B, dari K. Davies et al., Proc. Natl Acad. Sci



 Krista Membran Dalam Berisi Mesin untuk Elektron Transportasi dan Sintesis ATP



Berbeda dengan membran mitokondria luar, membran mitokondria bagian dalam adalah penghalang difusi untuk ion dan molekul kecil, seperti membran dalam bakteri. Namun, ion terpilih, terutama proton dan fosfat, serta metabolit esensial seperti ATP dan ADP, dapat melewatinya melalui protein transpor khusus. Membran mitokondria bagian dalam sangat terdiferensiasi menjadi daerah fungsional yang berbeda dengan komposisi protein yang berbeda. Seperti dibahas dalam Bab 10, pemisahan lateral daerah membran dengan protein dan komposisi lipid yang berbeda adalah fitur kunci dari sel. Dalam membran mitokondria bagian dalam, wilayah membran batas dianggap berisi mesin untuk impor protein, penyisipan membran baru, dan perakitan kompleks rantai pernapasan. Membran krista, yang bersambungan dengan membran batas, mengandung enzim ATP sintase yang menghasilkan sebagian besar ATP sel; mereka juga mengandung kompleks protein besar dari rantai pernapasan— nama yang diberikan untuk rantai transpor elektron mitokondria. Di persimpangan krista, di mana membran krista bergabung dengan membran batas, kompleks protein khusus menyediakan penghalang difusi yang memisahkan protein membran di dua wilayah membran dalam; kompleks-kompleks ini juga dianggap menjangkar krista ke membran luar, sehingga mempertahankan topologi membran dalam yang sangat terlipat. Membran krista memiliki salah satu kepadatan protein tertinggi dari semua membran biologis, dengan kandungan lipid 25% dan kandungan protein 75% berat. Pelipatan membran dalam menjadi krista sangat meningkatkan area membran yang tersedia untuk fosforilasi oksidatif. Dalam sel otot jantung yang sangat aktif, misalnya, luas total membran krista bisa mencapai 20 kali lebih besar dari luas membran plasma sel. Secara total, luas permukaan membran krista di setiap tubuh manusia bertambah kira-kira seukuran lapangan sepak bola.  Siklus Asam Sitrat dalam Matriks Menghasilkan NADH Bersama dengan krista yang menonjol ke dalamnya, matriks adalah bagian kerja utama dari mitokondria. Mitokondria dapat menggunakan asam piruvat dan asam lemak sebagai bahan bakar. Piruvat berasal dari glukosa dan gula lainnya, sedangkan asam lemak berasal dari lemak.



Kedua molekul bahan bakar ini diangkut melintasi membran mitokondria bagian dalam oleh protein transpor khusus, dan mereka kemudian diubah menjadi asetil KoA antara metabolik yang penting oleh enzim yang terletak di matriks mitokondria.



Gugus asetil dalam asetil KoA dioksidasi dalam matriks melalui siklus asam sitrat, juga disebut Siklus Kreb. Oksidasi atom karbon ini dalam asetil KoA menghasilkan CO2, yang



berdifusi keluar dari mitokondria untuk dilepaskan ke lingkungan sebagai produk limbah. Lebih penting lagi, siklus asam sitrat menyimpan banyak energi ikatan yang dilepaskan oleh oksidasi ini dalam bentuk elektron yang dibawa oleh NADH. NADH ini mentransfer elektronnya dari matriks ke rantai transpor elektron di membran mitokondria bagian dalam, di mana—melalui proses penggabungan kemiosmotik yang dijelaskan sebelumnya (lihat Gambar 14–2 dan 14–3)— energi yang dibawa oleh NADH elektron diubah menjadi energi ikatan fosfat dalam ATP. Gambar 14-10 menguraikan urutan reaksi ini secara skematis. Matriks berisi sistem genetik mitokondria, termasuk DNA mitokondria dan ribosom. DNA mitokondria (lihat bagian tentang sistem genetik, hal. 800) diatur ke dalam badan kompak—nukleoid—oleh protein scaffolding khusus yang juga berfungsi sebagai protein pengatur transkripsi Sejumlah besar enzim yang diperlukan untuk pemeliharaan sistem genetik mitokondria, serta untuk banyak reaksi penting



lainnya yang akan diuraikan selanjutnya, menyumbang konsentrasi protein yang sangat tinggi dalam matriks; pada lebih dari 500 mg/mL, konsentrasi ini mendekati kristal protein.







Mitokondria Memiliki Banyak Peran Penting dalam Metabolisme Seluler Mitokondria sangat penting untuk menyangga potensial redoks dalam sitosol. Sel



membutuhkan pasokan konstan akseptor elektron NAD+ untuk reaksi sentral dalam glikolisis yang mengubah gliseraldehida 3-fosfat menjadi 1,3-bisfosfogliserat (lihat Gambar 2–48). NAD + ini diubah menjadi NADH dalam proses, dan NAD+ perlu diregenerasi dengan mentransfer elektron NADH berenergi tinggi di suatu tempat. Elektron NADH pada akhirnya akan digunakan untuk membantu mendorong fosforilasi fosfor oksidatif di dalam mitokondria. Tetapi membran mitokondria bagian dalam tidak permeabel terhadap NADH. Oleh karena itu elektron dilewatkan dari NADH ke molekul yang lebih kecil di sitosol yang dapat bergerak melalui membran mitokondria bagian dalam. Begitu berada di dalam matriks, molekul-molekul yang lebih kecil ini mentransfer elektronnya ke NAD+ untuk membentuk NADH mitokondria, setelah itu mereka dikembalikan ke sitosol untuk diisi ulang—menciptakan apa yang disebut sistem antar -jemput untuk elektron NADH. Selain ATP, biosintesis dalam sitosol membutuhkan pasokan daya pereduksi yang konstan dalam bentuk NADPH dan molekul kecil yang kaya karbon untuk berfungsi sebagai bahan penyusun. Deskripsi biosintesis sering menyatakan bahwa kerangka karbon yang dibutuhkan datang langsung dari pemecahan gula, sedangkan NADPH diproduksi di sitosol melalui jalur samping untuk pemecahan gula (jalur pentosa fosfat, alternatif untuk glikolisis). Tetapi dalam kondisi di mana nutrisi berlimpah dan banyak ATP tersedia, mitokondria membantu menghasilkan daya pereduksi dan blok pembangun kaya bon mobil ("kerangka karbon") yang dibutuhkan untuk sel pertumbuhan. Untuk tujuan ini, kelebihan sitrat yang diproduksi dalam matriks mitokondria oleh siklus asam sitrat. diangkut menuruni gradien elektrokimia ke sitosol, di mana ia dimetabolisme untuk menghasilkan komponen penting sel. Sebagai bagian dari respons sel terhadap sinyal pertumbuhan, sejumlah besar asetil KoA diproduksi di sitosol dari sitrat yang diekspor dari mitokondria, mempercepat produksi asam



lemak dan sterol yang membangun membran baru Siklus urea adalah jalur metabolisme sentral pada mamalia yang mengubah amonia (NH 4+) yang dihasilkan oleh pemecahan senyawa yang mengandung nitrogen (seperti asam amino) menjadi urea yang diekskresikan dalam urin. Dua langkah penting dari siklus urea dilakukan di mitokondria sel hati, sedangkan langkah lainnya terjadi di sitosol. Mitokondria juga memainkan peran penting dalam adaptasi metabolik sel terhadap kondisi nutrisi yang berbeda. Misalnya, di bawah kondisi kelaparan, protein dalam tubuh kita dipecah menjadi asam amino, dan asam amino diimpor ke mitokondria dan dioksidasi untuk menghasilkan NADH untuk produksi ATP.  Proses Kemiosmotik Menggabungkan Energi Oksidasi menjadi ATP Produksi Meskipun siklus asam sitrat yang terjadi dalam matriks mitokondria dianggap sebagai bagian dari metabolisme aerobik, siklus itu sendiri tidak menggunakan oksigen. Hanya langkah terakhir dari metabolisme oksidatif yang mengkonsumsi oksigen molekuler (O2) secara langsung (lihat Gambar 14-10). Hampir semua energi yang tersedia dari metabolisme karbohidrat, lemak, dan bahan makanan lainnya pada tahap awal disimpan dalam bentuk senyawa kaya energi yang memberi makan elektron ke dalam rantai pernapasan di membran mitokondria bagian dalam. Elektron ini, yang sebagian besar dibawa oleh NADH, akhirnya pernapasan



bergabung



dengan



O2



untuk



membentuk



di



ujung



rantai



air.



Energi



yang



dilepaskan selama rangkaian kompleks transfer elektron dari NADH ke O2 dimanfaatkan di membran dalam untuk menghasilkan gradien elektrokimia yang mendorong versi konversi ADP



+



Pi menjadi ATP. Untuk alasan ini istilah fosforilasi oksidatif digunakan



untuk menggambarkan rangkaian reaksi terakhir ini.



Jumlah total energi yang dilepaskan oleh oksidasi biologis dalam rantai pernapasan setara dengan yang dilepaskan oleh ledakan pembakaran hidrogen ketika bergabung dengan oksigen dalam satu langkah untuk membentuk air. Tetapi pembakaran hidrogen dalam reaksi kimia satu langkah, yang memiliki G sangat negatif , melepaskan sejumlah besar energi ini secara tidak produktif sebagai panas. Dalam rantai pernapasan, reaksi yang sama menguntungkan secara energetik H2 + O2 ÿ H2O dibagi menjadi langkah- langkah kecil (Gambar 14-13). Proses bertahap ini memungkinkan sel untuk menyimpan hampir setengah dari total energi yang dilepaskan dalam bentuk yang berguna. Pada setiap langkah, elektron, yang dapat dianggap telah dipindahkan dari molekul hidrogen ke menghasilkan dua proton, melewati serangkaian pembawa elektron di membran mitokondria bagian dalam. Pada masing-masing dari tiga langkah berbeda di sepanjang jalan (ditandai dengan tiga kompleks transpor elektron dari rantai pernapasan, lihat



di bawah), sebagian besar energi digunakan untuk memompa proton melintasi membran. Pada akhir rantai transpor elektron, elektron dan proton bergabung kembali dengan molekul oksigen menjadi air.



Air adalah molekul berenergi sangat rendah dan karenanya sangat stabil; itu dapat berfungsi sebagai donor elektron hanya ketika sejumlah besar energi dari sumber eksternal dihabiskan untuk memecahnya menjadi proton, elektron, dan oksigen molekuler. Inilah yang terjadi dalam fotosintesis oksigenik, di mana sumber energi eksternal adalah matahari, seperti yang akan kita lihat nanti di bagian kloroplas.  Energi yang Berasal dari Oksidasi Disimpan sebagai Gradien Elektrokimia Di mitokondria, proses transpor elektron dimulai ketika dua elektron dan satu proton dikeluarkan dari NADH (untuk meregenerasi NAD+). Elektron ini diteruskan ke yang pertama dari sekitar 20 pembawa elektron yang berbeda dalam rantai pernapasan. Elektron mulai pada potensial redoks negatif yang besar yaitu, pada tingkat energi tinggi—yang berangsur-angsur turun saat melewati rantai. Protein yang terlibat dikelompokkan menjadi tiga kompleks enzim pernapasan besar, masing- masing terdiri dari subunit protein yang duduk di membran mitokondria bagian dalam. Setiap kompleks dalam rantai memiliki afinitas yang lebih tinggi untuk elektron daripada pendahulunya, dan elektron berpindah secara berurutan dari satu kompleks ke kompleks berikutnya sampai akhirnya ditransfer ke oksigen molekuler, yang memiliki afinitas elektron tertinggi dari semuanya. Hasil akhirnya adalah pemompaan H+ keluar dari matriks melintasi membran dalam, didorong oleh aliran elektron yang menguntungkan



secara energetik.



Pergerakan bran transmem H+ ini memiliki dua konsekuensi utama: 1. Ini menghasilkan gradien pH melintasi membran mitokondria bagian dalam, dengan pH tinggi dalam matriks (mendekati 8) dan pH lebih rendah di ruang antarmembran. Karena ion dan molekul kecil seimbang secara bebas melintasi membran luar mitokondria, pH di ruang antarmembran sama dengan di sitosol (umumnya sekitar pH 7,4). 2. Ini menghasilkan gradien tegangan melintasi membran mitokondria bagian dalam, menciptakan potensial membran dengan sisi matriks negatif dan sisi ruang krista positif.



Gradien pH memperkuat efek potensial membran (V), karena yang terakhir bertindak untuk menarik ion positif ke dalam matriks dan mendorong ion negatif keluar. Bersama-sama, pH dan V membentuk gradien elektrokimia, yang diukur dalam satuan milivolt (mV). Gradien ini memberikan gaya gerak proton, yang cenderung mendorong H+ kembali ke dalam matriks. Gradien elektrokimia melintasi membran bagian dalam mitokondria yang bernafas biasanya sekitar 180 mV (dalam negatif), dan terdiri dari potensial membran sekitar 150 mV dan gradien pH sekitar 0,5 sampai 0,6 unit pH (masing -masing pH 1 unit pH setara dengan potensial membran sekitar 60 mV). Gradien elektrokimia tidak hanya mendorong sintesis ATP tetapi juga



transpor molekul terpilih melintasi membran mitokondria bagian dalam, termasuk impor protein terpilih dari sitoplasma. 2. POMPA PROTON ELEKTRON RANTAI TRANSPORTASI Dalam menggambarkan rantai pernapasan mitokondria, kami mencapai tujuan yang lebih besar untuk menjelaskan bagaimana proses transpor elektron dapat memompa proton melintasi membran. Sebagaimana dinyatakan di awal bab ini, mitokondria, kloroplas, archaea, dan bakteri menggunakan mekanisme kemiosmotik yang sangat mirip. Faktanya, mekanisme ini mendasari fungsi semua organisme hidup—termasuk anaerob yang memperoleh semua energinya dari transfer electron antara dua molekul anorganik, seperti yang akan kita bahas.  Potensi Redoks Adalah Ukuran Afinitas Elektron Dalam reaksi kimia, setiap elektron yang dipindahkan dari satu molekul selalu diteruskan ke molekul lain, sehingga setiap kali satu molekul teroksidasi, yang lain tereduksi. Seperti halnya reaksi kimia lainnya, kecenderungan reaksi redoks tersebut untuk berlangsung secara



spontan bergantung pada perubahan energi bebas (∆G)) untuk transfer elektron, yang pada gilirannya bergantung pada afinitas relatif kedua molekul terhadap elektron. Asam dan basa ada dalam pasangan asam-basa konjugasi, di mana asam mudah diubah menjadi basa dengan hilangnya proton. Misalnya, asam asetat (CH3COOH) diubah menjadi basa konjugasinya, ion asetat (CH3COO–), dalam reaksi:



Dengan



cara yang persis analog, pasangan



senyawa seperti NADH dan NAD+ disebut pasangan redoks, karena NADH diubah menjadi NAD+ melalui pelepasan elektron dalam reaksi:



NADH



adalah donor elektron yang kuat: karena



dua elektronnya terlibat dalam ikatan kovalen yang melepaskan energi ketika putus, perubahan energi bebas untuk melewatkan elektron ini ke banyak molekul lain adalah menguntungkan. Energi diperlukan untuk membentuk ikatan ini dari NAD +, dua elektron, dan satu proton (jumlah energi yang sama yang dilepaskan saat ikatan putus). Oleh karena itu NAD+, mitra redoks NADH, diperlukan sebagai akseptor elektron yang lemah.  Transfer Elektron Melepaskan Energi Dalam Jumlah Besar Seperti yang baru saja dibahas, pasangan senyawa yang memiliki potensial redoks paling negatif memiliki afinitas terlemah untuk elektron dan oleh karena itu berguna sebagai pembawa elektron dengan kecenderungan kuat untuk menyumbangkan elektron. Sebaliknya, pasangan yang memiliki potensial redoks paling positif memiliki afinitas terbesar untuk elektron dan oleh karena itu berguna sebagai pembawa dengan kecenderungan kuat untuk menerima elektron. Campuran 1:1 NADH dan NAD+ memiliki potensial redoks sebesar –320 mV, menunjukkan bahwa NADH memiliki kecenderungan kuat untuk mendonorkan elektron; campuran 1:1 dari H2O dan O2 memiliki potensial redoks +820 mV, menunjukkan bahwa O2 memiliki kecenderungan kuat untuk menerima elektron. Perbedaan potensial redoks adalah 1140 mV, yang berarti bahwa transfer setiap elektron dari NADH ke O2 dalam kondisi standar ini



sangat menguntungkan, karena G° = –109 kJ/ mol, dan dua kali jumlah energi ini diperoleh untuk dua elektron ditransfer per molekul NADH (lihat Panel 14–1). Jika kita membandingkan perubahan energi bebas ini dengan pembentukan ikatan fosfo anhidrida dalam ATP, di mana G° = 30,6 kJ/mol (lihat Gambar 2-50), kita melihat bahwa, dalam kondisi standar, oksidasi satu Molekul NADH melepaskan lebih dari cukup energi untuk mensintesis tujuh molekul ATP dari ADP dan Pi. (Di dalam sel, jumlah molekul ATP yang dihasilkan akan lebih rendah karena kondisi standar jauh dari kondisi fisiologis; selain itu, sejumlah kecil energi tak terhindarkan hilang sebagai panas di sepanjang jalan.)  Ion Logam Transisi dan Kuinon Terima dan Lepaskan Elektron dengan Mudah Sifat transpor elektron kompleks protein membran dalam rantai respirasi bergantung pada kofaktor pembawa elektron, yang sebagian besar adalah logam transisi seperti Fe, Cu, Ni, dan Mn, yang terikat pada protein dalam kompleks. Logam-logam



ini



memiliki



sifat



khusus



yang



memungkinkan



mereka



untuk



mempromosikan katalisis enzim dan reaksi transfer elektron. Yang paling relevan di sini adalah fakta bahwa ion-ion mereka ada dalam beberapa keadaan oksidasi yang berbeda dengan potensi redoks yang berdekatan, yang memungkinkan mereka untuk menerima atau melepaskan elektron dengan mudah; properti ini adalah dieksploitasi oleh kompleks protein membran dalam rantai pernapasan untuk memindahkan elektron baik di dalam maupun di antara kompleks. Tidak seperti atom tak berwarna H, C, N, dan O yang menyusun sebagian besar molekul biologis, ion logam transisi seringkali berwarna cerah, yang membuat protein yang mengandungnya mudah dipelajari dengan metode spektroskopi menggunakan cahaya tampak. Satu keluarga protein berwarna seperti itu, sitokrom, mengandung gugus heme terikat, dimana atom besi dipegang erat oleh empat atom nitrogen di sudut persegi dalam cincin porfirin (Gambar 14-15). Cincin porfirin serupa bertanggung jawab untuk warna merah darah dan warna hijau daun, masing-masing mengikat besi dalam hemoglobin atau magnesium dalam klorofil. Protein besi-sulfur mengandung keluarga besar kedua kofaktor transfer elektron. Dalam hal ini, baik dua atau empat atom besi terikat pada jumlah yang sama dari atom sulfur dan rantai samping sistein, membentuk gugus besi-sulfur dalam protein (Gambar14-16). Seperti heme



sitokrom, kluster ini membawa satu elektron pada satu waktu. Kofaktor transfer elektron paling sederhana dalam rantai pernapasan—dan satu- satunya yang tidak selalu terikat pada protein— adalah kuinon (disebut ubiqui none, atau koenzim Q). Kuinon (Q) adalah molekul hidrofobik kecil yang bebas bergerak di lapisan ganda lipid. Pembawa elektron ini dapat menerima atau menyumbangkan satu atau dua elektron. Setelah reduksi (perhatikan bahwa kuinon tereduksi disebut kuinol), ia mengambil proton dari air bersama dengan setiap elektron (Gambar 14-17). Dalam rantai transpor elektron mitokondria, enam heme sitokrom yang berbeda, delapan gugus besi-sulfur, tiga atom tembaga, flavin mononukleotida (kofaktor transfer elektron lain), dan ubikuinon bekerja dalam urutan tertentu untuk membawa elektron dari NADH ke O2. Secara total, jalur ini melibatkan lebih dari 60 polipeptida berbeda yang tersusun dalam tiga kompleks protein membran besar, yang masing-masing mengikat beberapa kofaktor pembawa elektron di atas.



Seperti yang kita harapkan, kofaktor transfer elektron memiliki afinitas yang meningkat untuk elektron (potensial redoks yang lebih tinggi) ketika elektron bergerak di sepanjang rantai pernapasan. Potensi redoks telah disesuaikan selama evolusi oleh lingkungan protein dari setiap kofaktor, yang mengubah afinitas normal kofaktor terhadap elektron. Karena gugus besi-sulfur memiliki afinitas yang relatif rendah terhadap elektron, gugus ini mendominasi paruh pertama rantai pernapasan; sebaliknya, sitokrom heme mendominasi lebih jauh ke bawah rantai, di mana afinitas elektron yang lebih tinggi diperlukan.



 NADH Mentransfer Elektron ke Oksigen Melalui Tiga Besar Kompleks Enzim Tertanam di Membran Dalam Protein membran sulit dimurnikan karena tidak larut dalam larutan air, dan mudah terganggu oleh deterjen yang diperlukan untuk melarutkannya. Tetapi dengan menggunakan deterjen nonionik ringan, seperti oktilglukosida atau dodesil maltosida (lihat Gambar 10-28), mereka dapat dilarutkan dan dimurnikan dalam bentuk aslinya, dan bahkan dikristalkan untuk penentuan struktur. Masing-masing dari tiga kompleks rantai pernapasan yang dilarutkan deterjen yang berbeda dapat dimasukkan kembali ke dalam vesikel bilayer lipid buatan dan ditunjukkan untuk memompa proton melintasi membran saat elektron melewatinya. Dalam mitokondria, ketiga kompleks tersebut dihubungkan secara seri, berfungsi sebagai pompa H + yang digerakkan oleh elektron-transportasi yang memompa proton keluar dari matriks untuk mengasamkan ruang krista (Gambar 14-18): 1. Kompleks NADH dehidrogenase (sering disebut sebagai Kompleks I) adalah yang terbesar dari kompleks enzim pernapasan ini. Ia menerima elektron dari NADH dan melewatkannya melalui flavin mononukleotida sulfur ke pembawa elektron yang larut dalam lemak ubiquinone. Ubiquinol tereduksi kemudian mentransfer elektronnya ke sitokrom c reduktase. 2. Sitokrom c reduktase (juga disebut kompleks sitokrom b-c1 ) adalah perakitan protein membran besar yang berfungsi sebagai dimer. Setiap monomer mengandung tiga heme sitokrom dan gugus besi-sulfur. Kompleks menerima elektron dari ubikuinol dan meneruskannya ke protein kecil yang larut sitokrom c, yang terletak di ruang krista dan membawa electron satu per satu ke sitokrom c oksidase. 3. Kompleks sitokrom c oksidase mengandung dua heme sitokrom dan tiga atom tembaga. Kompleks menerima elektron satu per satu dari sitokrom c dan meneruskannya ke molekul oksigen. Secara total, empat



elektron dan empat proton diperlukan untuk mengubah satu molekul oksigen menjadi air. Perubahan potensial redoks antara dua pembawa elektron berbanding lurus dengan energi bebas yang dilepaskan ketika sebuah elektron berpindah di antara keduanya. Setiap kompleks bertindak sebagai perangkat konversi energi dengan memanfaatkan sebagian dari perubahan energi bebas ini untuk memompa H+ melintasi membran dalam, sehingga menciptakan gradien proton elektrokimia saat elektron melewati rantai.



Kristalografi sinar-X telah menjelaskan struktur masing-masing dari tiga kompleks rantai pernapasan dengan sangat rinci, dan selanjutnya kami memeriksa masing-masing secara bergantian untuk melihat cara kerjanya. 3. PRODUKSI ATP DI MITOCHONDRIA Seperti yang baru saja kita diskusikan, tiga pompa proton dari rantai pernapasan masingmasing berkontribusi pada pembentukan gradien proton elektrokimia melintasi membran mitokondria bagian dalam. Gradien ini mendorong sintesis ATP oleh ATP sintase, kompleks protein terikat membran besar yang melakukan prestasi luar biasa dalam mengubah energi yang terkandung dalam gradien elektrokimia ini menjadi energi ikatan kimia yang berguna secara biologis dalam bentuk ATP (lihat Gambar 14-10). . Proton mengalir menuruni gradien elektrokimianya melalui bagian membran turbin proton ini, sehingga mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi di bagian ekstramembran kompleks. Seperti dibahas dalam Bab 2, pembentukan ATP dari ADP dan fosfat anorganik sangat tidak menguntungkan secara energetik. Seperti yang akan kita lihat, ATP sintase dapat menghasilkan ATP hanya karena perubahan bentuk alosterik dalam kompleks protein ini yang secara langsung menggabungkan sintesis ATP dengan aliran proton yang menguntungkan secara energetik melintasi membrannya.



Rata-rata orang menghasilkan sekitar 50 kg ATP per hari. Pada atlet lari maraton, angka ini bisa mencapai beberapa ratus kilogram. ATP yang diproduksi di mitokondria berasal dari energi yang tersedia di intermediet NADH, FADH2, dan GTP. Ketiga senyawa kaya energi ini dihasilkan baik oleh oksidasi glukosa dan oleh oksidasi lemak



Glikolisis saja dapat



menghasilkan hanya dua molekul ATP untuk setiap molekul glukosa yang dimetabolisme, dan ini adalah hasil energi total untuk proses fermentasi yang terjadi tanpa O2 Dalam oksidatif fosforilasi, setiap pasangan elektron yang disumbangkan oleh NADH yang dihasilkan di mitokondria dapat memberikan energi untuk pembentukan sekitar 2,5 molekul ATP. Fosforilasi oksidatif juga menghasilkan 1,5 molekul ATP per pasangan elektron dari FADH2 yang dihasilkan oleh suksinat dehidrogenase dalam matriks mitokondria, dan dari molekul NADH yang dihasilkan oleh glikolisis di sitosol. Dari hasil produk glikolisis dan siklus asam sitrat, kita dapat menghitung bahwa oksidasi lengkap satu molekul glukosa—dimulai dengan glikolisis dan diakhiri dengan fosforilasi oksidatif—memberikan hasil bersih sekitar 30 molekul ATP. Hampir semua ATP ini dihasilkan oleh ATP sintase mitokondria.



Gambar 14-29 Hubungan dasar antara perubahan energi bebas dan kesetimbangan dalam reaksi hidrolisis ATP. Konstanta laju dalam kotak 1 dan 2 ditentukan dari eksperimen di mana akumulasi produk diukur sebagai fungsi waktu (konsentrasi, konsentrasi). Konstanta kesetimbangan yang ditunjukkan di sini, K, adalah dalam satuan mol per liter.



 ATP Synthase Adalah Mesin Nano yang Menghasilkan ATP dengan Katalisis Rotary ATP sintase adalah mesin nano yang disetel halus yang terdiri dari 23 atau lebih subunit protein laju terpisah, dengan massa total sekitar 600.000 dalton. ATP sintase dapat bekerja baik ke arah depan, menghasilkan ATP dari ADP dan fosfat sebagai respons terhadap gradien elektrokimia, atau sebaliknya, menghasilkan gradien elektrokimia melalui hidrolisis ATP. Untuk membedakannya dari enzim lain yang menghidrolisis ATP, itu juga disebut F1Fo ATP sintase atau ATPase tipe-F. Menyerupai turbin, ATP sintase terdiri dari rotor dan stator (Gambar 14-30). Untuk mencegah kepala katalitik berputar, tangkai di pinggiran kompleks (tangkai stator) menghubungkan kepala ke subunit stator yang tertanam di membran. Tangkai kedua di tengah



rakitan (batang rotor) terhubung ke cincin rotor di membran yang berputar saat proton mengalir melaluinya, didorong oleh gradien elektrokimia melintasi membran. Akibatnya, proton aliran membuat batang rotor berputar di dalam kepala stasioner, di mana situs katalitik yang merakit ATP dari ADP dan Pi berada. Tiga subunit dan tiga dari struktur yang sama bergantian membentuk kepala. Masing-masing dari tiga subunit memiliki situs pengikatan nukleotida katalitik pada antarmuka /ÿ . Situs katalitik ini semuanya dalam konformasi yang berbeda, tergantung pada interaksinya dengan tangkai rotor. Tangkai ini bertindak seperti camshaft, perangkat yang membuka dan menutup katup di mesin pembakaran. Saat berputar di dalam kepala, tangkai mengubah konformasi subunit secara berurutan. Salah satu kemungkinan konformasi situs katalitik memiliki afinitas tinggi untuk ADP dan Pi, dan sebagai tangkai rotor mendorong situs pengikatan ke dalam konformasi yang berbeda, kedua substrat didorong untuk membentuk ATP. Dengan cara ini, gaya mekanik yang diberikan oleh tangkai rotor pusat secara langsung diubah menjadi energi kimia dari ikatan fosfat ATP. Berfungsi sebagai turbin yang digerakkan oleh proton, ATP sintase didorong oleh aliran H+ ke dalam matriks untuk berputar sekitar 8000 putaran per menit, menghasilkan tiga mol ATP per putaran. Dengan cara ini, setiap ATP sintase dapat menghasilkan sekitar 400 molekul ATP per detik. Gambar 14–30 ATP sintase. Struktur tiga dimensi dari F1Fo ATP sintase, ditentukan dengan kristalografi sinar-x. Juga dikenal sebagai ATPase tipe-F, terdiri dari bagian Fo (dari "faktor sensitif oligomisin") di membran dan kepala F1 katalitik besar dalam matriks. Di bawah kondis disosiasi ringan, kompleks ini terpisah menjadi komponen F1 dan Fo , yang dapat diisolasi dan dipelajari secara individual. (SEBUAH) Diagram kompleks enzim menunjukkan bagaimana bagian kepala globularnya (hijau) tetap diam saat aliran proton melintasi membran menggerakkan rotor (biru) yang berputar di dalamnya. (B) Dalam mitokondria jantung sapi, cincin rotor Fo di membran (biru muda) memiliki delapan subunit c. Itu melekat pada subunit dari tangkai pusat (biru tua) oleh subunit (ungu). Kepala F1 katalitik terdiri dari cincin tiga subunit dan tiga (hijau terang dan



gelap), dan secara langsung mengubah energi mekanik menjadi energy ikatan kimia dalam ATP, seperti yang dijelaskan dalam teks. Tangkai stator perifer yang memanjang (oranye) dihubungkan ke kepala F1 oleh subunit kecil ( merah) di satu ujung, dan ke subunit di membran (oval merah muda) di ujung lainnya. Bersama dengan subunit c dari cincin yang berputar melewatinya, a subunit menciptakan jalur untuk proton melalui membran. (C) Simbol untuk ATP sintase yang digunakan Sintase ATP terkait erat dari mitokondria, kloroplas, dan bakteri mensintesis ATP dengan memanfaatkan gaya gerak proton melintasi membran. Ini menggerakkan rotasi rotor melawan stator dalam arah berlawanan arah jarum jam, seperti yang terlihat dari kepala F1 . Kompleks enzim yang sama juga dapat memompa proton melawan gradien elektrokimianya dengan menghidrolisis ATP, yang kemudian mendorong putaran rotor searah jarum jam. Arah operasi tergantung pada perubahan energi bebas bersih (ÿG) untuk proses gabungan translokasi H+ melintasi membran dan sintesis ATP dari ADP dan Pi. Pengukuran torsi yang ATP sintase dapat menghasilkan oleh hidrolisis ATP mengungkapkan bahwa sintase ATP adalah 60 kali lebih kuat daripada mesin diesel dengan dimensi yang sama. (B, atas izin K. Davies.)



KLOROPLAS DAN FOTOSINTESIS Semua hewan dan sebagian besar mikroorganisme bergantung pada penyerapan terus-menerus sejumlah besar senyawa organik dari lingkungan mereka. Senyawa ini menyediakan baik blok bangunan kaya karbon untuk biosintesis dan energi metabolisme untuk kehidupan. Sangat mungkin bahwa organisme pertama di Bumi primitif memiliki akses ke banyak senyawa organik yang dihasilkan oleh proses geokimia, tetapi jelas bahwa ini digunakan miliaran tahun yang lalu. Sejak saat itu, hampir semua bahan organik yang dibutuhkan oleh sel hidup telah diproduksi oleh organisme fotosintetik, termasuk tumbuhan dan bakteri fotosintetik. Mesin inti yang mendorong semua fotosintesis tampaknya telah berevolusi lebih dari 3 miliar tahun lalu pada nenek moyang bakteri masa kini; hari ini ia menyediakan satusatunya mekanisme penyimpanan energi surya utama di Bumi. Bakteri fotosintetik yang paling maju adalah cyanobacteria, yang memiliki kebutuhan nutrisi minimal. Mereka menggunakan elektron dari air dan energi sinar matahari untuk mengubah CO 2 di atmosfer menjadi senyawa organik—proses yang disebut fiksasi karbon. Selama reaksi keseluruhan action nH2O + nCO2 → (light) (CH2O)n + nO2 mereka juga membebaskan molekul oksigen ke atmosfer yang kemudian menggerakkan fosforilasi oksidatif. Dengan cara ini, diperkirakan bahwa evolusi cyanobacteria dari bakteri fotosintetik yang lebih primitif akhirnya memungkinkan pengembangan berbagai bentuk kehidupan aerobik yang menghuni Bumi saat ini.



 Kloroplas Menyerupai Mitokondria Tetapi Memiliki Kompartemen Tilakoid Terpisah Tumbuhan (termasuk alga) berkembang jauh lebih lambat daripada cyanobacteria, dan fotosintesisnya terjadi di organel intraseluler khusus kloroplas. Kloroplas menggunakan mekanisme kemiosmotik untuk melakukan interkonversi energinya dengan cara yang sama seperti mitokondria. Meskipun jauh lebih besar dari mitokondria, mereka diatur dengan prinsip yang sama. Mereka memiliki membran luar yang sangat permeabel; membran dalam yang kurang permeabel, di mana protein transpor membran tertanam; dan ruang antar membran yang sempit di antaranya. Bersama-sama, kedua membran ini membentuk amplop kloroplas. Membran kloroplas bagian dalam mengelilingi ruang besar yang disebut stroma, yang analog dengan matriks mitokondria. Stroma mengandung banyak enzim metabolisme dan, seperti untuk matriks mitokondria, itu adalah tempat di mana ATP dibuat oleh kepala sintase ATP. Seperti mitokondria, kloroplas memiliki genom dan sistem genetiknya sendiri. Oleh karena itu stroma juga mengandung satu set khusus ribosom, RNA, dan DNA kloroplas. perbedaan penting antara organisasi mitokondria dan kloroplas disorot pada Membran bagian dalam kloroplas adalah tidak terlipat menjadi krista dan tidak mengandung rantai transpor elektron. \ Sebaliknya, rantai transpor elektron, sistem penangkapan cahaya fotosintesis, dan ATP sintase semuanya terkandung dalam membran tilakoid, membran terpisah dan berbeda yang membentuk satu set kantung pipih seperti cakram, tilakoid. Membran tilakoid sangat terlipat menjadi banyak tumpukan lokal vesikel pipih yang disebut grana, saling berhubungan oleh tilakoid yang tidak bertumpuk. Lumen masing-masing tilakoid terhubung dengan lumen tilakoid lain, sehingga mendefinisikan kompartemen internal ketiga yang disebut ruang tilakoid. Ruang ini mewakili kompartemen terpisah di setiap kloroplas yang tidak terhubung ke ruang antarmembran atau stroma.



Gambar 14–37 Kloroplas dalam sel. (A) Penampang melintang skema melalui daun tanaman hijau. (B) Mikroskop cahaya dari sel daun tumbuhan—di sini, sel mesofil dari Zinnia elegans—menunjukkan kloroplas sebagai benda hijau terang, berukuran beberapa mikrometer, di bagian dalam sel yang transparan. (C) Mikrograf elektron dari bagian tipis yang diwarnai melalui sel daun gandum menunjukkan tepi tipis sitoplasma— mengandung kloroplas, nukleus, dan mitokondria—yang mengelilingi vakuola besar berisi air. (D) Pada perbesaran yang lebih tinggi, mikroskop elektron memperlihatkan membran selubung kloroplas dan membran tilakoid di dalam kloroplas yang sangat terlipat menjadi tumpukan grana (Film 14.9). (B, milik John Innes Foundation; C dan D, milik K. Plaskitt.)



 Kloroplas Menangkap Energi dari Sinar Matahari dan Menggunakannya untuk Memperbaiki Karbon Kita dapat mengelompokkan reaksi yang terjadi selama fotosintesis dalam kloroplas menjadi dua kategori besar: 1. Reaksi transfer elektron fotosintesis (juga disebut "reaksi terang") terjadi di dua kompleks protein besar, yang disebut pusat reaksi, tertanam dalam membran tilakoid. Sebuah foton (kuantum cahaya) menjatuhkan elektron dari molekul pigmen hijau klorofil di pusat reaksi pertama, menciptakan ion klorofil bermuatan positif. Elektron ini kemudian bergerak di sepanjang rantai transpor elektron dan melalui pusat reaksi kedua dengan cara yang hampir sama seperti elektron bergerak di sepanjang rantai pernapasan di mitokondria. Selama proses transpor elektron ini, H+ dipompa melintasi membran tilakoid, dan menghasilkan Gradien proton elektrokimia mendorong sintesis ATP di stroma Sebagai langkah terakhir dalam rangkaian reaksi ini, elektron dimuat (bersama dengan H+) ke NADP+, mengubahnya menjadi molekul NADPH yang kaya energi. Karena klorofil bermuatan positif di pusat reaksi pertama dengan cepat mendapatkan kembali elektronnya dari air (H2O), gas O2 dihasilkan sebagai produk sampingan. Semua reaksi ini terbatas pada kloroplas.



Reaksi fiksasi karbon tidak memerlukan sinar matahari. Di sini ATP dan NADPH yang dihasilkan oleh reaksi terang masing-masing berfungsi sebagai sumber energi dan daya pereduksi, untuk mendorong konversi CO 2 menjadi tingkat karbohidrat. Reaksi fiksasi karbon ini dimulai di stroma kloroplas, di mana mereka menghasilkan gula tiga karbon gliseraldehida 3-fosfat. Gula sederhana ini diekspor ke sitosol, di mana ia digunakan untuk memproduksi sukrosa dan banyak metabolit organik lainnya di daun tanaman. Sukrosa kemudian diekspor untuk memenuhi kebutuhan metabolisme jaringan tanaman sintetis nonfoto, yang berfungsi sebagai sumber kerangka karbon dan energi untuk pertumbuhan. Dengan demikian, pembentukan ATP, NADPH, dan O2 (yang membutuhkan energi cahaya secara langsung) dan konversi CO2 menjadi karbohidrat (yang hanya membutuhkan energi cahaya secara tidak langsung) adalah proses yang terpisah (Gambar 14-39). Namun, mereka dihubungkan oleh mekanisme umpan balik yang rumit yang memungkinkan tanaman untuk memproduksi gula hanya jika tepat untuk melakukannya. Beberapa enzim kloroplas yang diperlukan untuk fiksasi karbon, misalnya, tidak aktif dalam gelap dan diaktifkan kembali oleh proses transpor elektron terstimulasi cahaya. Kloroplas Menyerupai Mitokondria tetapi Memiliki Kompartemen Ekstra : Tilakoid Kloroplas lebih besar dari mitokondria, tetapi keduanya diatur menurut prinsip struktural yang serupa. Kloroplas memiliki membran luar yang sangat permeabel dan membran dalam yang kurang permeabel, di mana berbagai protein transpor membran tertanam. Gabungan kedua membran ini membentuk amplop kloroplas yang dipisahkan oleh ruang antar membran yang



sempit. Membran dalam mengelilingi ruang besar yang disebut stroma, yang mengandung banyak enzim metabolik dan analog dengan matriks mitokondria. Namun, ada perbedaan penting antara organisasi mitokondria dan kloroplas. Membran bagian dalam kloroplas tidak mengandung mesin molekuler yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi. Sebaliknya, sistem penangkap cahaya, rantai transpor elektron, dan ATP sintase yang mengubah energi cahaya menjadi ATP selama fotosintesis semua terkandung dalam membran tilakoid. Membran ketiga ini dilipat untuk membentuk satu set pipih, kantung seperti cakram, yang disebut tilakoid, yang tersusun dalam tumpukan yang disebut grana (Gambar 24). Bagian dalam setiap tilakoid dianggap terhubung dengan tilakoid lain yang menciptakan ruang tilakoid. Ruang tilakoud merupakan kompartemen yang terpisah dari stroma kloroplas.



Gambar 25. Kloroplas, seperti mitokondria, terdiri dari satu set membran dan kompartemen khusus. Fotosintesis Menghasilkan dan Mengkonsumsi ATP dan NADPH Kimia yang dilakukan oleh fotosintesis dapat diringkas dalam satu persamaan sederhana : energi cahaya + CO2 + H2O → gula + O2 + energi panas Di permukaannya, persamaan secara akurat mewakili proses dengan energi cahaya mana yang mendorong produksi gula dari CO2. Tapi akuntansi dangkal ini meninggalkan dua pemain paling penting dalam fotosintesis yaitu pembawa aktif ATP dan NADPH. Pada tahap pertama fotosintesis, energi dari sinar matahari digunakan untuk menghasilkan ATP dan NADPH dan pada tahap kedua, pembawa aktif ini dikonsumsi untuk bahan bakar sintesis gula. 1. Tahap 1



Fotosintesis menyerupai fosforilasi oksidatif yang terjadi pada membran dalam mitokondria. Pada tahap ini, rantai transpor elektron dalam membran tilakoid memanfaatkan energi transpor elektron untuk memompa proton ke dalam ruang tilakoid. Gradien proton yang dihasilkan kemudian mendorong sintesis ATP oleh ATP sintase. Yang membuat fotosintesis sangat berbeda adalah elektron berenergi tinggi yang disumbangkan ke rantai transpor elektron fotosintesis berasal dari molekul klorofil yang telah menyerap energi dari sinar matahari. Jadi reaksi penghasil energi tahap 1 sering disebut reaksi terang (Gambar 26). Perbedaan utama lainnya antara fotosintesis dan fosforilasi oksidatif adalah di mana elektron berenergi tinggi pada akhirnya berakhir: elektron yang turun ke elektron fotosintesis rantai transpor dalam kloroplas disumbangkan bukan ke O2 tetapi untuk NADP+, untuk menghasilkan NADPH. 2. Tahap 2 Dalam tahap 2 fotosintesis, ATP dan NADPH yang dihasilkan oleh reaksi transfer elektron fotosintesis tahap 1 digunakan untuk mendorong pembuatan gula dari CO2 (Gambar 26). Ini merupakan reaksi fiksasi karbon yang tidak langsung membutuhkan sinar matahari yang terjadi di dalam stroma kloroplas. Reaksi ini menghasilkan gula tiga karbon yang disebut gliseraldehida 3-fosfat. Gula sederhana ini diekspor ke sitosol, dimana ia digunakan untuk menghasilkan sejumlah besar molekul organik di daun, termasuk disakarida sukrosa, yang diekspor dari daun ke seluruh bagian tumbuhan.



Gambar 26. Tahap fotosintesis bergantung pada kloroplas. Meskipun pembentukan ATP dan NADPH selama tahap 1 dan konversi bagian dari CO2 menjadi karbohidrat selama tahap 2 dimediasi oleh dua rangkaian reaksi yang terpisah, akan



tetapi keduanya dihubungkan oleh mekanisme umpan balik yang rumit sehingga memungkinkan pabrik untuk memproduksi gula ketika diperlukan. Beberapa enzim yang diperlukan untuk fiksasi karbon tidak aktif dalam gelap dan diaktifkan kembali oleh transpor elektron yang dirangsang cahaya. Molekul Klorofil Menyerap Energi Sinar Matahari Cahaya tampak adalah bentuk radiasi elektromagnetik yang terdiri dari banyak panjang gelombang, mulai dari ungu (panjang gelombang 400 nm) hingga merah tua (700 nm). Kebanyakan klorofil menyerap cahaya paling baik pada panjang gelombang biru dan merah, dan mereka menyerap cahaya hijau dengan buruk (Gambar 27). Tumbuhan terlihat hijau bagi kita karena cahaya hijau yang tidak terserap dipantulkan kembali ke mata kita.



Gambar 27. Klorofil menyerap cahaya dengan panjang gelombang biru dan merah. Kemampuan klorofil untuk memanfaatkan energi yang berasal dari sinar matahari berasal dari strukturnya yang unik. Elektron dalam molekul klorofil didistribusikan dalam awan terdesentralisasi di sekitar cincin porfirin penyerap cahaya molekul (Gambar 28). Ketika cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai mengenai molekul klorofil yang mengeksitasi elektron dalam jaringan difusi ini. Keadaan energi tinggi ini tidak stabil dan molekul klorofil yang tereksitasi akan dengan cepat melepaskan kelebihan energi ini dan kembali ke keadaannya yang lebih stabil dan tidak tereksitasi. Sebuah molekul klorofil hanya akan melepaskan energi yang diserapnya dalam bentuk cahaya atau panas tidak menghasilkan apa pun yang berguna. Namun, molekul klorofil dalam kloroplas mampu mengubah energi cahaya menjadi bentuk energi yang berguna bagi sel karena mereka terkait dengan satu set khusus protein fotosintesis dalam membran tilakoid.



Gambar 28. Struktur klorofil memungkinkannya menyerap energi dari cahaya. Molekul Klorofil yang Terangsang Menyalurkan Energi ke Pusat Reaksi Dalam membran tilakoid tumbuhan dan membran plasma bakteri fotosintetik molekul klorofil disimpan dalam kompleks multiprotein besar yang disebut fotosistem. Setiap fotosistem terdiri dari satu set kompleks antena, yang menangkap energi cahaya dan pusat reaksi yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia. Dalam sebuah kompleks antena, ratusan molekul klorofil diatur sedemikian rupa sehingga energi cahaya yang ditangkap oleh satu molekul klorofil dapat ditransfer ke molekul klorofil tetangga dalam jaringan. Dengan cara ini, energi melompat secara acak dari satu molekul klorofil ke molekul berikutnya baik di dalam antena yang sama atau di antena yang berdekatan. Pada titik tertentu, energi yang mengembara ini akan bertemu dengan dimer klorofil yang disebut pasangan khusus, yang menahan elektronnya pada energi yang sedikit lebih rendah daripada molekul



klorofil lainnya. Ketika energi diterima oleh pasangan khusus ini maka secara efektif terperangkap di sana. Pasangan khusus klorofil tidak terletak di kompleks antena. Tapi merupakan bagian dari pusat reaksi yaitu kompleks protein dan pigmen transmembran yang diperkirakan pertama kali berevolusi lebih dari 3 miliar tahun yang lalu pada bakteri fotosintetik primitif. Di dalam pusat reaksi, pasangan khusus diposisikan tepat di sebelah satu set pembawa elektron yang siap menerima elektron berenergi tinggi dari pasangan khusus klorofil yang tereksitasi (Gambar 29). Transfer elektron ini mengubah energi cahaya yang memasuki pasangan khusus menjadi energi kimia dari elektron yang dapat ditransfer yaitu transformasi yang terletak di jantung fotosintesis.



Gambar 29. Sebuah fotosistem terdiri dari pusat reaksi yang dikelilingi oleh kompleks antena yang mengandung klorofil. Setelah elektron berenergi tinggi dilewatkan dari klorofil ke pembawa elektron, pasangan khusus klorofil menjadi bermuatan positif dan pembawa elektron yang menerima elektron menjadi bermuatan negatif. Pergerakan cepat elektron ini sepanjang satu set pembawa elektron perantara di dalam pusat reaksi kemudian menciptakan pemisahan muatan yang menggerakkan aliran elektron berenergi tinggi dari pusat reaksi ke rantai transpor elektron (Gambar 30).



Gambar 30. Di pusat reaksi, elektron berenergi tinggi ditransfer dari pasangan khusus klorofil ke pembawa yang menjadi bagian dari rantai transpor elektron. Sepasang Fotosistem Bekerja Sama untuk Menghasilkan ATP dan NADPH



Fotosintesis pada akhirnya adalah proses biosintesis. Membangun molekul organik dari CO2 membutuhkan masukan energi yang sangat besar dalam bentuk ATP dan sejumlah besar daya pereduksi dalam bentuk pembawa yang diaktifkan. NADPH (Gambar 30). Untuk menghasilkan ATP dan NADPH, sel tumbuhan dan organisme fotosintetik yang hidup bebas seperti cyanobacteria menggunakan dua fotosistem berbeda yang beroperasi secara seri. Meskipun strukturnya serupa, kedua fotosistem ini melakukan hal yang berbeda dengan elektron berenergi tinggi yang meninggalkan klorofil pusat reaksinya. Ketika fotosistem pertama (yang secara paradoks disebut fotosistem II karena alasan historis) menyerap energi cahaya, pusat reaksinya meneruskan elektron ke pembawa elektron bergerak yang disebut plastokuinon. Pastokuinon merupakan bagian dari rantai transpor elektron fotosintesis. Pembawa ini mentransfer elektron berenergi tinggi ke pompa proton, yang menggunakan pergerakan elektron untuk menghasilkan gradien proton elektrokimia. Gradien proton elektrokimia kemudian mendorong produksi ATP oleh ATP sintase yang terletak di membran tilakoid (Gambar 31).



Gambar 31. Fotosistem II memberikan elektron ke pompa proton fotosintesis, yang mengarah pada pembentukan ATP oleh ATP sintase. Pada saat yang sama, fotosistem kedua yang berdekatan—disebut fotosistem I —juga sibuk menangkap energi dari sinar matahari. Pusat reaksi fotosistem ini meneruskan elektron berenergi tinggi ke pembawa elektron bergerak yang berbeda, yang disebutferedoksin, yang membawa mereka ke enzim yang menggunakan elektron untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH (Gambar 32). Ini adalah aksi gabungan dari dua fotosistem ini yang menghasilkan ATP (fotosistem II) dan NADPH (fotosistem I) yang diperlukan untuk fiksasi karbon pada tahap 2 fotosintesis (lihat Gambar 26).



Gambar 26. Fotosistem I mentransfer elektron berenergi tinggi ke enzim yang menghasilkan NADPH. Oksigen Dihasilkan oleh Kompleks Pemisah Air yang Berhubungan dengan Fotosistem II Ketika pembawa elektron bergerak melepaskan elektron dari pusat reaksi (baik dalam fotosistem I atau fotosistem II) ia meninggalkan pasangan khusus klorofil yang bermuatan positif (Gambar 30). Untuk mengatur ulang sistem dan memungkinkan fotosintesis untuk melanjutkan, elektron yang hilang ini harus diganti. Untuk fotosistem II, elektron yang hilang digantikan oleh kompleks protein khusus yang mengandung mangan yang menghilangkan elektron dari air. Gugusan atom mangan dalam ini enzim pemecah air memegang dua molekul air dari mana elektron diekstraksi satu per satu. Setelah empat elektron dikeluarkan dari dua molekul air dan digunakan untuk menggantikan elektron yang hilang oleh empat klorofil yang tereksitasi pasangan khusus kemudian O2 dilepaskan (Gambar 27). Dengan ini berarti bahwa semua O2 di atmosfer diproduksi. Kehidupan di bumi akan menjadi urusan yang sangat berbeda tanpa enzim pemecah air fotosistem II.



Gambar 27.Pusat reaksi fotosistem II mencakup enzim pemecah air yang mengkatalisis ekstraksi elektron dari air.



Manuver "menunggu empat elektron" yang dilakukan oleh enzim pemecah air memastikan bahwa tidak ada molekul air yang teroksidasi sebagian dilepaskan sebagai bahan kimia berbahaya dan sangat reaktif. Seperti yang telah kita bahas sebelumnya, trik yang sama digunakan oleh sitokrom C oksidase yang mengkatalisis reaksi balik ion transfer elektron ke O2 untuk menghasilkan air selama fosforilasi oksidatif (lihat Gambar 23). Pasangan Khusus di Fotosistem I Menerima Elektron dari Fotosistem II Kita telah melihat bahwa fotosistem II menggantikan elektron yang hilang oleh pasangan khusus klorofilnya dengan elektron yang diekstraksi dari air. Tapi di mana fotosistem I mendapatkan elektron yang dibutuhkan untuk mengatur ulang pasangan khususnya? Elektron ini berasal dari fotosistem II: kedua fotosistem bekerja secara seri, sehingga pasangan khusus klorofil dalam fotosistem I berfungsi sebagai akseptor elektron terakhir untuk rantai transpor elektron yang membawa elektron dari fotosistem II. Aliran elektron secara keseluruhan melalui sistem yang terhubung ini ditunjukkan pada: Gambar 28. Singkatnya, elektron dikeluarkan dari air pada fotosistem II melalui pompa proton (sitokrom B6-F kompleks) ke pembawa elektron bergerak yang disebut plastosianin. Plastosianin kemudian membawa elektron ini ke fotosistem I, untuk menggantikan elektron yang hilang oleh pasangan khusus klorofilnya yang tereksitasi. Ketika cahaya diserap kembali oleh fotosistem ini, elektron akan terdorong ke tingkat energi yang sangat tinggi yang diperlukan untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH.



Gambar 28. Pergerakan serial elektron melalui dua fotosistem menggerakkan produksi ATP dan NADPH. Dua fotosistem yang beroperasi secara seri dan efektif terdapat dua langkah pemberian energi elektron. Dorongan energi ekstra ini diberikan oleh cahaya yang diambil kedua fotosistem



yang memungkinkan elektron untuk ditransfer dari air biasanya memegang elektronnya dengan sangat erat (potensial redoks = +820 mV), ke NADPH, yang biasanya menahan elektron yang lepas (potensial redoks = –320 mV). Selain menggerakkan kimia ini, ada cukup energi yang tersisa untuk mengaktifkan rantai transpor elektron yang menghubungkan kedua fotosistem untuk memompa H+ melintasi membran tilakoid, sehingga ATP sintase yang tertanam dalam membran ini juga dapat memanfaatkan energi yang diturunkan dari cahaya untuk menghasilkan ATP (Gambar 29).



Gambar 29. Gabungan 485 fotosistem I tindakan fotosistem I dan II mendorong elektron ke tingkat energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ATP dan NADPH. Fiksasi Karbon Menggunakan ATP dan NADPH untuk Mengubah CO2 menjadi Gula Reaksi terang fotosintesis menghasilkan ATP dan NADPH dalam stroma kloroplas. Tetapi membran bagian dalam kloroplas tidak dapat ditembus oleh kedua senyawa ini, yang berarti bahwa mereka tidak dapat diekspor langsung ke sitosol. Untuk menyediakan energi dan mengurangi daya untuk sisa sel, ATP dan NADPH dapat digunakan dalam stroma kloroplas untuk menghasilkan gula tiga karbon sederhana yang dapat diekspor ke sitosol oleh protein pembawa spesifik di membran dalam kloroplas. Produksi gula dari CO2 dan air yang terjadi selama tahap 2 fotosintesis disebut karbon fiksasi. Dalam reaksi sentral fiksasi karbon



fotosintesis, CO2 dari atmosfer melekat pada turunan gula lima karbon, ribulosa 1,5-bifosfat, untuk menghasilkan dua molekul senyawa tiga karbon 3-fosfogliserat. Reaksi pengikatan karbon ini ditemukan pada tahun 1948, dikatalisis dalam stroma kloroplas oleh enzim besar yang disebut ribulosa bifosfat karboksilase atau Rubisko (Gambar 30). Rubisco bekerja jauh lebih lambat daripada kebanyakan enzim lain: ia memproses sekitar tiga molekul substrat per detik dibandingkan dengan 1000 molekul per detik untuk enzim biasa. Untuk mengimbangi perilaku lamban ini, tanaman mempertahankan surplus Rubisco untuk memastikan produksi gula yang efisien. Enzim umumnya mewakili lebih dari 50% dari total protein kloroplas, dan secara luas diklaim sebagai protein paling melimpah di bumi.



Gambar 30. Fiksasi karbon dikatalisis oleh enzim ribulosa bifosfat karboksilase, juga disebut Rubisco. Meskipun produksi karbohidrat dari CO2 dan H2O sangat tidak menguntungkan secara energetic. Fiksasi CO2 yang dikatalisis oleh Rubisco sebenarnya adalah reaksi yang menguntungkan secara energik. Itu karena terus menerus pasokan ribulosa 1,5-bifosfat yang kaya energi dimasukkan ke dalam reaksi. Karena senyawa ini dikonsumsi dengan penambahan CO2 (Gambar 30) harus diisi ulang. Energi dan daya pereduksi yang dibutuhkan untuk meregenerasi ribulosa 1,5-bifosfat berasal dari ATP dan NADPH yang dihasilkan oleh reaksi terang fotosintesis. Serangkaian reaksi yang rumit dimana CO2 menggabungkan dengan ribulosa 1,5-bifosfat untuk menghasilkan gula tiga karbon sederhana sebagian dari yang digunakan untuk meregenerasi ribulosa 1,5-bifosfat yang dikonsumsi dapat membentuk siklus yang disebut siklus fiksasi karbon, atau siklus Calvin (Gambar 31). Untuk setiap tiga molekul CO2 yang memasuki siklus, satu molekul gliseraldehida 3-fosfat akhirnya diproduksi dan mengorbankan sembilan molekul ATP dan enam molekul NADPH, yang dikonsumsi dalam proses. Gliseraldehida 3-



fosfat, gula tiga karbon yang merupakan produk akhir dari siklus yang menyediakan bahan awal untuk sintesis banyak gula lain dan molekul organik lain yang dibutuhkan tanaman.



Gambar 31. Siklus fiksasi karbon menggunakan ATP dan NADPH untuk membentuk gliseraldehida 3-fosfat dari CO2 dan H2O. Gula yang Dihasilkan oleh Fiksasi Karbon Dapat Disimpan sebagai Pati atau Dikonsumsi untuk Menghasilkan ATP Gliseraldehida 3-fosfat yang dihasilkan oleh fiksasi karbon dalam stroma kloroplas dapat digunakan dalam beberapa cara, tergantung pada kebutuhan tanaman. Selama periode aktivitas fotosintesis berlebih, sebagian besar gula disimpan dalam stroma kloroplas dan diubah menjadi pati. Seperti glikogen dalam sel hewan, pati adalah polimer besar glukosa yang berfungsi sebagai cadangan karbohidrat dan disimpan sebagai butiran besar di stroma kloroplas. Pati merupakan bagian penting dari makanan semua hewan yang memakan tumbuhan. Molekul gliseraldehida 3fosfat lainnya diubah menjadi lemak di stroma. Bahan ini, yang terakumulasi sebagai tetesan lemak juga berfungsi sebagai cadangan energi (Gambar 32)



Gambar 32. Kloroplas sering mengandung simpanan besar karbohidrat dan asam lemak. Pada malam hari, pati dan lemak yang tersimpan ini dapat dipecah menjadi gula dan asam lemak yang diekspor ke sitosol untuk membantu mendukung kebutuhan metabolisme tanaman. Beberapa gula yang diekspor memasuki jalur glikolitik dimana ia diubah menjadi piruvat. Sebagian besar piruvat itu, bersama dengan asam lemak, memasuki mitokondria sel tumbuhan dan dimasukkan ke dalam siklus asam sitrat yang pada akhirnya mengarah pada produksi ATP melalui fosforilasi oksidatif (Gambar 33). Plants use this ATP to power a huge variety of metabolic reactions, just as animal cells and other nonphotosynthetic organisms do. Gliseraldehida 3-fosfat yang diekspor dari kloroplas ke dalam sitosol juga dapat diubah menjadi banyak metabolit lain, termasuk disakarida. sukrosa. Sukrosa adalah bentuk utama di mana gula diangkut di antara sel-sel tanaman: seperti halnya glukosa diangkut dalam darah hewan demikian juga sukrosa diekspor dari daun melalui sistem vaskular untuk menyediakan karbohidrat ke seluruh tanaman.



Gambar 33. Pada tumbuhan, kloroplas dan mitokondria berkolaborasi untuk memasok sel dengan metabolit dan ATP.



EVOLUSI SISTEM PEMBANGKIT ENERGI Kemampuan untuk mengurutkan genom mikroorganisme yang sulit jika bukan tidak mungkin untuk tumbuh dalam kultur telah memungkinkan untuk mengidentifikasi berbagai macam bentuk kehidupan yang sebelumnya misterius. Beberapa organisme uniseluler ini tumbuh subur di habitat yang paling tidak ramah di planet ini, termasuk mata air panas belerang dan lubang hidrotermal yang terletak jauh di dasar laut. Dalam mikroba yang luar biasa ini, kami menemukan petunjuk tentang sejarah kehidupan. Seperti sidik jari yang tertinggal di TKP, protein dan molekul kecil yang dihasilkan organisme ini memberikan bukti yang memungkinkan kita untuk melacak sejarah peristiwa biologis kuno termasuk yang memunculkan sistem penghasil ATP yang ada di mitokondria dan kloroplas serta sel eukariotik modern. Fosforilasi Oksidatif Berkembang dalam Tahapan Sel hidup pertama di bumi mungkin telah mengonsumsi molekul



organik



yang



diproduksi



secara



geokimia



dan



menghasilkan ATP melalui fermentasi. Karena oksigen belum ada di atmosfer maka reaksi fermentasi anaerobik akan membuang asam organik seperti asam laktat atau asam format ke dalam lingkungan. Penumpukan



asam



tersebut



akan



menurunkan



pH



lingkungan dan mendukung kelangsungan hidup sel yang mengembangkan protein transmembran yang dapat memompa H+ keluar dari sitosol yang mencegah interior sel menjadi terlalu asam. Beberapa dari pompa ini mungkin telah menggunakan energi yang tersedia dari hidrolisis ATP untuk mengeluarkan H+ dari sel (tahap 1 Gambar 34). Pompa proton seperti itu bisa menjadi nenek moyang dari sintase ATP masa kini. Pompa lain seperti yang ada di kompleks rantai pernapasan modern akhirnya berevolusi untuk menggunakan pergerakan elektron antara molekul dengan potensial redoks yang berbeda sebagai sumber Gambar 34. Proses kemiosmotik kemungkinan besar berevolusi secara bertahap.



energi untuk memompa H+ melintasi membran plasma (tahap 2 pada Gambar 34). Beberapa bakteri saat ini yang tumbuh pada asam format menggunakan sejumlah kecil energi redoks yang berasal dari transfer elektron dari asam format ke fumarat untuk memompa H+.



Ketika sistem transpor elektron pemompa H+ ini menjadi cukup efisien, sel dapat memanen lebih banyak energi redoks daripada yang dibutuhkan untuk mempertahankan pH internal mereka. Sel-sel ini kemudian dapat menghasilkan gradien proton elektrokimia yang besar yang dapat digabungkan dengan produksi ATP (tahap 3 pada Gambar 34). Karena sel-sel seperti itu akan membutuhkan lebih sedikit pasokan nutrisi yang dapat difermentasi dan akan berkembang biak dengan mengorbankan tetangga sel tersebut. Bakteri Fotosintetik Membuat Lebih Sedikit Tuntutan pada Lingkungannya Terobosan evolusioner utama dalam metabolisme energi adalah pembentukan pusat reaksi fotokimia yang dapat menggunakan energi sinar matahari untuk menghasilkan molekul seperti NADPH. Diperkirakan perkembangan ini terjadi pada awal proses evolusi sekitar lebih dari 3 miliar tahun yang lalu pada nenek moyang bakteri belerang hijau. Bakteri belerang hijau saat ini menggunakan energi cahaya untuk mentransfer atom hidrogen (sebagai elektron ditambah proton) dari H2S ke NADPH, sehingga menciptakan daya reduksi kuat yang diperlukan untuk karbon fiksasi (Gambar 35).



Gambar 35. Fotosintesis pada bakteri belerang hijau menggunakan hidrogen sulfida (H2S) sebagai donor elektron daripada air. Langkah selanjutnya diperkirakan melibatkan evolusi organisme mampu menggunakan air sebagai pengganti H2S sebagai sumber elektron untuk fotosintesis. Ini memerlukan evolusi enzim pemecah air dan penambahan fotosistem kedua yang bekerja sama dengan yang pertama untuk menjembatani kesenjangan besar dalam potensial redoks antara H2O dan NADPH (lihat



Gambar 29). Konsekuensi biologis dari langkah evolusioner ini sangat luas. Untuk pertama kalinya, ada organisme yang hanya membuat tuntutan kimia minimal pada lingkungan mereka. Sel-sel ini termasuk cyanobacteria pertama dapat menyebar dan berevolusi dengan cara yang tidak bakteri fotosintetik sebelumnya yang membutuhkan H2S, asam organik atau sumber elektron lainnya. Akibatnya, sejumlah besar bahan yang dapat difermentasi bahan organik yang diproduksi oleh sel-sel ini mulai untuk mengumpulkan. Selain itu, O2 mulai memasuki atmosfer dalam jumlah besar (Gambar 36).



Gambar 36. Oksigen memasuki atmosfer bumi miliaran tahun yang lalu. Ketersediaan O2 memungkinkan perkembangan bakteri yang mengandalkan metabolisme aerobik untuk membuat ATP mereka. Organisme ini dapat memanfaatkan sejumlah besar energi yang dilepaskan ketika karbohidrat dan molekul organik tereduksi lainnya dipecah semua jalan menuju CO2 dan H2O. Sebagai bahan organik yang terakumulasi sebagai produk sampingan fotosintesis, beberapa bakteri fotosintetik termasuk nenek moyang bakteri Escherichia coli kehilangan kemampuannya untuk bertahan hidup hanya dengan energi cahaya dan bergantung sepenuhnya pada respirasi sel. Mitokondria muncul ketika sel pra-eukariotik menelan bakteri aerobik tersebut. Tumbuhan muncul ketika keturunan eukariota aerob awal ini menangkap bakteri fotosintetik yang menjadi prekursor kloroplas. Setelah eukariota memperoleh simbion bakteri yang menjadi mitokondria dan kloroplas, eukariota kemudian dapat memulai jalur evolusi spektakuler yang akhirnya mengarah pada organisme multiseluler yang kompleks, termasuk diri kita sendiri.



Gaya Hidup Metanokokus Menyarankan Bahwa Kopling Kemiosmotik Adalah Proses Kuno Kondisi saat ini yang paling mirip dengan kondisi dimana sel diperkirakan hidup 3,5–3,8 miliar tahun yang lalu mungkin berada di dekat lubang hidrotermal laut dalam. Ventilasi ini mewakili tempat-tempat di mana mantel cair bumi menembus kerak diatasnya sehingga memperluas lebar dasar laut. Organisme modern yang tampaknya paling dekat hubungannya dengan sel-sel hipotetis tempat semua kehidupan berevolusi hidup pada suhu 75°C hingga 95°C, suhu mendekati suhu air mendidih. Kemampuan untuk berkembang pada suhu ekstrem seperti itu menunjukkan bahwa nenek moyang sel yang memunculkan bakteri, archaea, dan eukariota hidup dalam kondisi anaerobik yang sangat panas. Salah satu archaea yang hidup di lingkungan ini saat ini adalah Methanococcus jannaschii. Awalnya diisolasi dari lubang hidrotermal lebih dari satu mil di bawah permukaan laut, organisme tumbuh tanpa adanya cahaya dan oksigen gas menggunakan nutrisi anorganik. Gas hidrogen (H2) dan nitrogen (N2) gelembung itu keluar dari ventilasi (Gambar 37). Mode keberadaannya memberi kita petunjuk tentang seberapa awal sel mungkin telah menggunakan transpor elektron untuk memperoleh energi dan untuk mengekstrak molekul karbon dari bahan anorganik yang tersedia secara bebas di bumi awal yang panas.



Gambar 37. Metanokokus mewakili eform yang mungkin pernah ada dalam sejarah bumi. Metanokokus bergantung pada N2 gas sebagai sumber nitrogen untuk membuat molekul organik seperti asam amino. Organisme mereduksi N2 ke amonia (NH3) dengan penambahan hydrogen proses ini disebut fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen membutuhkan sejumlah besar energi seperti halnya proses fiksasi karbon yang mengubah CO2 dan H2O menjadi gula. Banyak



dari transfer elektron dari H2 menjadi CO2, dengan rilis besar jumlah metana (CH4) sebagai produk limbah (sehingga menghasilkan gas alam dan memberi nama organisme). Bagian dari transfer elektron ini terjadi di membran plasma dan menghasilkan pemompaan proton (H+) melintasinya. Gradien proton elektrokimia yang dihasilkan mendorong sintase ATP dalam membran yang sama untuk membuat ATP. Fakta bahwa kopling kemiosmotik seperti itu ada dalam organisme seperti Metanokokus menunjukkan bahwa penyimpanan energi dalam gradien proton yang berasal dari transpor elektron adalah proses yang sangat kuno. Jadi, penggabungan kemiosmotik mungkin telah memicu evolusi hampir semua bentuk kehidupan di bumi.