BAB 10. TRANSFER ELEKTRONMembran sel prokariota mempunyai fungsi yang luas. Selain sebagai “pintu”

keluar-masuknya senyawa dan nutrien, membran sel juga berfungsi sebagai organela

bermembran seperti organela bermembran eukariota. Proses pembentukan energi baik

secara respirasi maupun fotosintesis berlangsung di membran sel prokariota.

TEORI KEMIOSMOSIS Teori kemiosmosis menyatakan bahwa proton dipindah keluar sel oleh reaksi

eksergonik (penghasil energi). Perpindahan proton meninggalkan muatan negatif di

sitoplasma, sehingga menghasilkan potensial membran (dalam negatif dan luar positif).

Perpindahan proton juga menghasilkan gradien konsentrasi proton (di luar lebih pekat

daripada di dalam sel). Ketika proton kembali ke dalam sel menuruni gradien

konsentrasi dan menuju kutub negatif, maka dihasilkan energi untuk kerja seluler

(Gambar 10.1).

Gambar 10.1 Arus proton. Pompa proton (1) dapat memindahkan proton dari dalam ke luar sel ketika disuplai energi dan proton kembali ke dalam sel melalui kanal/transportir proton (2) dan menghasilkan energi yang dapat dipakai untuk kerja flagela dan sintesis ATP.

Menurut Gambar 10.1 dapat dianalogikan bahwa membran merupakan batere.

Reaksi 1 merupakan charging membran, sedangkan reaksi 2 merupakan kerja

membran. Reaksi 1 termasuk reaksi redoks pada sistem transfer elektron (Gambar

10.2:1) atau hidrolisis ATP (Gambar 10.2:7). Reaksi 2 termasuk pompa keluar ion

natrium (Gambar 10.2:2), pergerakan flagela (Gambar 10.2:6), dan transportasi solut

(Gambar 10.2:4 dan 5). Mitchel menekankan bahwa membran harus mempunyai

permeabilitas rendah terhadap proton, sehingga jalur masuk proton melalui transportir

proton dikopling dengan dengan pembentukan energi daripada melalui celah atau porin.

Gambar 10.2 Arus proton dan natrium secara umum terjadi di membran sel bakteri. 1: uniport H+, 2: uniport Na+, 3: antiport H+/Na+, 4: simport Na+/S (solut), 5: simport H+/Na+, 6: perpindahan H+ dikopling dengan dengan kerja flagela, 7: pompa H+ dikopling dengan dengan hidrolisis ATP dan arus masuk H+ dikopling dengan dengan sintesis ATP.

ENERGI ELEKTROKIMIA PROTONKetika proton berpindah ke luar, terdapat sejumlah energi yang tersimpan dalam

gradien konsentrasi proton. Energi pada gradien konsentrasi proton dalam bentuk kimia

dan listrik. Energi listrik timbul, karena terdapat perbedaan muatan (di luar lebih positif).

Ketika proton kembali ke dalam, energi listrik menghilang. Energi kimia timbul, karena

adanya perbedaan (gradien) konsentrasi proton. Ketika proton kembali ke dalam, energi

kimia hilang ditransfer ke kerja seluler.

Jumlah perubahan energi listrik dan kimia disebut energi elektrokimia. Simbol

energi elektrokimia adalah , di mana seimbang antara in-out. Satuan energi

elektrokimia adalah Joule per mol atau kalori per mol.

Gaya Pergerakan ProtonKinerja elektrokimia yang dilakukan ketika ion melewati membran, merupakan

fungsi potensial membran () dan gradien konsentrasi senyawa yang dipisahkan

membran. Misalnya 1 mol proton mampu menghasilkan energi elektrokimia sebesar

H+ = F + RT ln (Hin/Hout).

Persamaan ini menghasilkan satuan energi elektrokimia, yaitu Joule, tetapi

satuan energi elektrokimia dapat diubah menjadi potensial listrik, yaitu milivolt (mV):

H+/F= - 60pH mV (pada 30C)

H+/F disebut proton motive force atau gaya pergerakan proton dan disimbolkan p,

sehingga persamaan menjadi:

p= - 60pH mV (30C)

Persamaan ini berlaku baik untuk proton maupun kation lainnya (misalnya Na+)

yang dapat menghasilkan energi elektrokimia. Bakteri mempunyai nilai rata-rata p

sekitar –140 sampai –200 mV. Nilai p saat respirasi lebih tinggi daripada saat

fermentasi.

Menciptakan Potensial MembranPotensial membran dapat diciptakan ketika proton berpindah ke luar membran,

sehingga meninggalkan muatan negatif di sebelah dalam dan menambah muatan positif

di luar. Potensial membran dapat diciptakan dengan mengoksidasi molekul di luar

membran, sehingga menghasilkan muatan positif di luar. Kapasitas potensial membran

tergantung kapasitas membran itu sendiri (tergantung seberapa banyak titik-titik yang

mampu memindahkan proton).

Ketika proton berpindah, dan pH tidak dapat secara simultan diciptakan.

Meskipun prokariota tidak dapat menciptakan dan pH pada proton yang sama, dia

dapat menghasilkan ketika terjadi perpindahan proton dan mengubahnya menjadi

pH. Misalnya diciptakan ketika terjadi perpindahan proton. Kation seperti K+

mungkin masuk ke dalam sel, sehingga hal ini mengurangi potensial membran dan

potensial membran diubah menjadi pH. Hal sebaliknya dapat terjadi, yaitu pH dapat

diubah menjadi .

Pada prokariota neutrofil memberi kontribusi 60-70% terhadap p. Hal ini

karena pada prokariota neutrofil terjadi perpindahan proton, sehingga menghasilkan .

Karena tidak ada atau sedikit terjadi perbedaan pH, maka pH hanya memberi

kontribusi sebesar 20-30%.

Pada prokariota asidofil terdapat perbedaan pH (3-5 ), pH memberi kontribusi

sebesar 80-90%. Misalnya pH di dalam sel adalah 6,5 dan pH di luar sel

adalah 2, pH=4,5 dan = +10 mV.

p= - 60pH mV

p= 10 – 60 x –4,5 mV

p= 10 – 270

p= -260 mV.

Pemanfaatan p Gaya pergerakan proton (p) menyediakan energi bagi fungsi membran sel.

Berikut ini beberapa fungsi membran sel yang memanfaatkan p. (1) Pengambilan

molekul terlarut (solut) dari luar ke dalam sel. (2) Ketika proton kembali melalui

konduktor proton, konduktor itu dikopling dengan (di-pasangan-kan) dengan sistem

transportasi solut masuk ke dalam. Nilai p sebesar –180 mV mampu mentransport 103

gradien konsentrasi solut. (3) Sintesis ATP melalui ATPsintase. F0-F1ATPsintase terdiri

dari 2 bagian, yaitu kanal F0 yang membentang di membran sel dan F1ATPsintase yang

terikat di membran sel dan menghadap ke sitoplasma (Gambar 10.3). Proton harus

masuk ke kanal F0. Ketika proton melewati kanal tersebut, ATP disintesis dari ADP + Pi

di F1ATPsintase. Pada E. coli subunit F1ATPsintase terdiri dari 5 polipeptida berbeda,

sedangkan F0ATPsintase terdiri dari 3 polipeptida berbeda.

Gambar 10.3 Gambar struktural F0-F1ATPsintase

Mekanisme Sintesis ATP Melalui ATP sintaseMekanisme sintesis ATP melalui ATPsintase adalah sebagai berikut. Subunit F1

memiliki 3 area penangkapan [ADP + Pi]. Pada kondisi awal subunit F1 sudah

menangkap 1 [ADP + Pi]. Ketika terjadi pergerakan proton (p) dari dalam ke luar, maka

1 [ADP + Pi] dari sitopalsma terikat pada subunit F1. Pada waktu proton masuk ke kanal

F0, 1 [ADP + Pi] diubah menjadi ATP. Proton bergerak menuju subunit F1, maka terjadi

perubahan konformasi subunit F1, sehingga ATP dilepas (Gambar 10.4).

Gambar 10.4 Mekanisme pengikatan ADP + Pi dan pelepasan ATP.

Penelitian pada arkhaea Methanosalus zhilinae menunjukkan ada kanal lain

untuk sintesis ATP selain F0F1ATPase, yaitu E1E2ATPase. Aktivitas sintesis ATP oleh

F0F1ATPase dihambat oleh DCCD (N.N’disikloheksilkarbodiimida), tetapi aktivitas

sintesis ATP oleh E1E2ATPase dihambat vanadat.

REAKSI PENGHASIL pSebagian besar p dihasilkan oleh reaksi redoks respirasi pada membran sel,

hidrolisis ATP, dan fermentasi.

Reaksi RedoksReaksi redoks terdiri dari 2 bagian, yaitu oksidasi (kehilangan elektron atau

proton) dan reduksi (mendapat elektron atau proton). Reaksi redoks dapat berlangsung

secara berantai (lebih dari 1 reaksi redoks). Jika reaksi redoks berlangsung dari reaksi

redoks bernilai Eox/red negatif (donor) ke reaksi redoks bernilai E ox/red lebih positif

(akseptor), maka dihasilkan p. Reaksi redoks juga dapat berjalan bolak-balik

Hidrolisis ATP Hidrolisis ATP dapat menghasilkan p, jika terjadi di ATPsintase. Hal ini karena

kanal F0-F1ATPsintase dapat dilewati proton dari 2 arah.

Antiport Dikarboksilat dan Hasil Dekarboksilasinya Banyak produk fermentasi berupa senyawa karboksilat yang merupakan hasil

dekarboksilasi dikarboksilat (Gambar 10.5). Salah satu contoh antiport dikarboksilat dan

hasil dekarboksilasinya adalah pertukaran oksalat format.

Gambar 10.5 Proses dekarboksilasi dikarboksilat yang dikopling dengan dengan pembentukan p. Asam dikarboksilat masuk dalam bentuk anion divalen (A), atau anion monovalen (B). Sintesis ATP (C) melengkapi arus proten pada proses dekarboksilasi dikarboksilat.

Pada Oxalobacter formigenes (bakteri anaerob) mengambil oksalat dari luar

(Gambar 10.6). Di dalam sel oksalat didekarboksilasi menjadi format (monokarboksilat).

Kemudian, format ditransportasi ke luar, sehingga terjadi perbedaan potensial membran

(di dalam sel bertambah 2- tetapi di kembalikan ke luar 1- dan di dalam lebih negatif).

Pertukaran oksalat format terjadi melalui protein transportir (antiport).

Ketika oksalat masuk ke dalam maka sel melakukan kopling transportasi

(antiport) dengan keluarnya format. Kemudian, oksalat didekarboksilasi menjadi format

dan CO2 (dan mengkonsumsi proton), sehingga tercipta p. Format yang dihasilkan

akan dikeluarkan, jika ada oksalat yang masuk.

Gambar 10.6 Pertukaran oksalat-format yang dikopling dengan sintesis ATP

Dekarboksilasi Dikarboksilat yang Dikopling dengan Transport Na+

Reaksi kimia yang dikopling dengan proton, banyak ditemukan di bakteri, tetapi

pada beberapa bakteri (khususnya bakteri laut) sistem transport proton digantikan oleh

natrium. Bakteri Vibrio alginolyticus menggunakan pompa natrium yang dikopling

dengan respirasi. Contoh sistem dekarboksilasi yang dikopling dengan transport Na+

adalah dekarboksilasi metilmalonil-KoA pada Propionigenium modestum dan

dekarboksilasi oksaloasetat pada Klebsiella pneumonia (Gambar 10.7).

Simport Arus Keluar Produk Fermentasi dengan Pompa Proton atau Na+

Pengeluaran produk fermentasi oleh sel bakteri merupakan transport yang

menuruni gradien konsentrasi. Transportasi hasil fermentasi tersebut menghasilkan

energi, sehingga dapat dipakai untuk memompa proton (natrium). Oleh karena itu, arus

keluar produk fermentasi disimport dengan pompa proton, sehingga menghasilkan p.

Simport pengeluaran laktat dengan pompa proton dapat dilihat pada bakteri

Streptococcus. Simport pengeluaran suksinat dengan pompa Na+ terjadi pada bakteri

Selenemonas.

Gambar 10.7 Dekarboksilasi oksaloasetat dikopling dengan transport Na+. D: enzim dekarboksilase (Sumber: Dimroth, P. 1990. Energy transduction by an electrochemical gradient of sodium ions in Hauska & R. Thauer (eds). The Molecular Basis of Bacterial Metabolism. Springer-Verlag, Berlin. 114-127)

Absorbsi Cahaya oleh Pigmen RodopsinBeberapa arkhaea (halofil ekstrim) mampu menghasilkan p langsung dari

absorsi cahaya oleh pigmen tanpa melibatkan reaksi redoks. Arkhaea halofil ekstrim

adalah arkhaea heterotrof dan biasanya menghasilkan p melalui reaksi redoks. Akan

tetapi, jika oksigen rendah, tetapi sinar tinggi, maka dia menyintesis pigmen

bakteriorodopsin. Salah satu fungsi bakteriorodopsin adalah memompa proton ketika

mengabsorbsi sinar (kopling). Terdapat Arkhaea halofil ekstrim yang mampu

menyintesis halorodopsin yang mampu menyerap cahaya dan dikopling dengan arus

masuk ion klor.

TRANSFER ELEKTRONProses pembentukan energi baik secara fotosintesis maupun respirasi

menyangkut masalah transfer elektron. Pembentukan energi sebenarnya adalah transfer

energi yang dilepaskan reaksi eksergonik ke sintesis senyawa berenergi tinggi. Seperti

diketahui reaksi kimia berlangsung dengan 2 cara, yaitu endergonik dan eksergonik.

Reaksi endergonik adalah reaksi yang memerlukan energi, sedangkan reaksi

eksergonik adalah reaksi yang menghasilkan energi. Biasanya reaksi eksergonik

dikopling dengan reaksi endergonik. Oleh karena itu, organisme termasuk prokariota

melakukan suatu konversi energi eksergonik menjadi energi yang dapat dimanfaatkan.

Tabel 10.1 Potensial elektroda reaksi redoks pada pH 7

Reaksi Redoks E0 (mV)

CO2 / formatH+ / H2

Fdox / Fdred (Clostridium)NAD+ / NADS0 / H2SFAD / FADH2 Asetaldehid / etanolFMN / FMNH2

Piruvat / laktatOksaloasetat / malatMenakuinon (ox / red) Sit b558 (ox / red) Fumarat / suksinatUbikuinon (ox / red) Sit b556 (ox / red) Sit b562 (ox / red) Sit d (ox / red) Sit c (ox / red) Sit a (ox / red)

Sit c555 (ox / red)

NO3- / NO2

-

Fe3+ / Fe2+

O2 / H2O

-432-410-410-320-270-220-197-190-185-170-74

-75 atau -43+33

+100+46 atau +129

+125 atau +260+260 atau +280

+250+280+355+421+771+815

Sumber: Thauer, R.K., K. Jungermann & K. Decker. 1977. Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria. Bacteriol Rev 41: 100-180

Pada proses respirasi terjadi arus elektron melalui serangkaian reaksi redoks

berantai dalam membran sel. Transfer elektron dimulai dari donor yang mempunyai

potensial elektroda rendah ke akseptor yang mempunyai potensial elektroda lebih tinggi

(Tabel 10.1). Kompleks yang mampu membawa elektron pada transfer elektron, disebut

pembawa elektron. Pada titik tertentu reaksi redoks mampu menghasilkan energi yang

tinggi, sehingga energi itu dipakai untuk memompa proton menyeberang membran sel.

Ketika proton kembali ke dalam sel akibat perbedaan gradien konsentrasi, perpindahan

itu dikopling dengan sintesis senyawa berenergi tinggi, misalnya ATP.

PEMBAWA ELEKTRONPembawa elektron yang terletak di membran sel dapat dikategorikan menjadi 4

kelompok, yaitu flavoprotein, kuinon, protein besi-belerang, dan sitokrom. Flavoprotein,

protein besi-belerang, dan sitokrom adalah protein, sedangkan kuinon adalah lemak.

Pembawa elektron protein merupakan kompleks multienzim yang disebut oksido-

reduktase. Elektron ditransfer bukan oleh bagian molekul protein, tetapi oleh bagian

molekul non-protein. Bagian non-protein yang membawa elektron disebut gugus

prostetik. Gugus prostetik flavoprotein, protein besi-belerang, dan sitokrom masing-

masing adalah flavin, kluster FeS, dan heme. Gugus prostetik mempunyai kemampuan

membawa elektron saja, ada juga yang mampu membawa elektron dan proton.

FlavoproteinFlavoprotein (Fp) merupakan pembawa elektron dengan gugus prostetik

senyawa organik flavin. Ada 2 jenis flavin, yaitu FMN dan FAD (Gambar 10.8).

Fosforilasi riboflavin pada ribitil 5’OH menghasilkan FMN dan adenilisasi FMN

menghasilkan FAD. Ketika tereduksi, fp mampu membawa proton dan elektron.

Gambar 10.8 Struktur Flavin. X=H: riboflavin; X=PO3H2: FMN; X=ADP: FAD

KuinonKuinon adalah lemak pembawa elektron. Beberapa peneliti yakin bahwa kuinon

mobil di daerah hidrofob membran sel. Kuinon terdapat dalam 3 bentuk (Gambar 10.9),

yaitu ubikuinon, menakuinon, dan plastokuinon. Kuinon mampu membawa elektron dan

proton.

Prokariota mampu menghasilkan 2 kuinon selama respirasi, yaitu ubikuinon dan

menakuinon. Menakuinon mempunyai potensial elektroda lebih rendah daripada

ubikuinon dan biasanya digunakan pada respirasi anaerob. Plastokuinon dijumpai pada

sianobakter.

Gambar 10.9 Struktur kuinon. Ubikuinon teroksidasi (kiri atas); ubikuinon tereduksi (kanan atas); menakuinon teroksidasi (kiri bawah); plastokuinon teroksidasi (kanan bawah).

Protein besi-belerang

Besi-belerang mempunyai gugus prostetik besi non-heme yang bagian sulfurnya

tidak tahan asam (Gambar 10.10). Itu berarti ketika pH rendah (asam), H2S akan

terlepas dari gugus prostetiknya. Besi-belerang mempunyai potensial elektroda yang

luas dari –400 sampai +350 mV. Oleh karena itu, besi-belerang dijumpai di setiap level

potensial elektroda redoks. Dia dapat membawa elektron, tetapi tidak dapat membawa

proton.

Gambar 10.10 Kluster FeS

SitokromSitokrom adalah pembawa elektron dengan besi heme sebagai gugus

prostetiknya. Heme adalah 4 cincin pirol yang dihubungkan dengan jembatan metana

(Gambar 10.11). Karena heme terdiri dari 4 pirol, maka sering disebut tetrapirol.

Terdapat 4 jenis sitokrom, yaitu sitokrom a, b, c, dan d. Terdapat sitokrom o pada

prokariota. Sitokrom o termasuk dalam jenis sitokrom b. Sitokrom mampu membawa

proton dan elektron.

Gambar 10.11 Gugus heme dari sitokrom yang terdiri atas 4 cincin pirol (1 s.d 4); : jembatan metana; R1 s.d. R8 berbeda-beda tergantung jenis sitokromnya

ORGANISASI PEMBAWA ELEKTRONPada mitokondria serangkaian pembawa elektron terorganisasi dari potensial

elektroda rendah (donor) ke potensial elektroda tinggi (akseptor). Elektron (mungkin juga

proton) dapat masuk ke sembarang pembawa elektron yang sesuai potensial

elektrodanya, kemudian ditransfer ke akseptor yang lebih tinggi potensial elektrodanya.

Terdapat 4 kompleks pembawa elektron pada mitokondria (Gambar 10.12), yaitu

NADH-ubikuinon oksidoreduktase (kompleks 1), suksinat dehidrogenase (kompleks 2),

ubikuinol-sitokrom c oksidoresuktase (kompleks 3 disebut juga kompleks bc1), dan

sitokrom c oksidase (biasanya sitokrom aa3; kompleks 4).

Gambar 10.12 Organisasi kompleks pembawa elektron pada mitokondria

Pada prokariota pembawa elektron berbeda-beda tergantung jenis

prokariotanya. Akan tetapi, dapat dianalogikan dengan pembawa elektron di

mitokondria, pembawa elektron di prokariota diorganisasikan dalam 3 kelompok, yaitu

kompleks dehidrogenase, kompleks oksidase (aerob) atau kompleks reduktase

(anaerob), dan kuinon sebagai penghubung 2 kompleks tersebut di atas.

Struktur NADH dehidrogenase E. coli mirip dengan struktur kompleks 1

mitokondria. NADH dehidrogenase E. coli mempunyai struktur seperti huruf L dan

terkadang seperti tapal kuda dan dinamis. Dinamika struktur NADH dehidrogenase

merefleksikan proses evolusinya. Struktur NADH dehidrogenase aerob biasanya

berbeda dengan NADH dehidrogenase anaerob.

Aktivitas enzim dehidrogenase pada umumnya menghasilkan elektron yang

dapat didonorkan ke kuinon. Kemudian, elektron ditransfer ke kompleks oksidase dan

akhirnya ke penerima elektron terakhir. Jika penerima elektron terakhir adalah oksigen,

maka disebut kompleks pereduksi oksigen atau oksidase. Akan tetapi, jika penerima

elektron terakhir selain oksigen, maka disebut reduktase. Jika dehidrogenase terkait

dengan aktivitas oksidasi NADH, maka disebut NADH dehidrogenase. Jika

dehidrogenase terkait dengan aktivitas oksidasi H2, maka disebut hidrogen

dehidrogenase dan lain-lain.

Gambar 10.13 Organisasi kompleks pembawa elektron pada prokariota pada respirasi aerob (A) dan pada respirasi anaerob (B)

Prokariota mempunyai organisasi transfer elektron yang bercabang (Gambar

10.13). Hal ini terkait dengan kemampuan prokariota melakukan respirasi ganda. Jika

mitokondria hanya mampu melakukan respirasi aerob saja, maka prokariota mampu

melakukan respirasi aerob dan anaerob. Bahkan prokariota mampu melakukan respirasi

dengan akseptor elektron berbeda, meskipun dalam suasana yang sama. Titik

percabangan pembawa elektron biasanya terdapat pada kuinon atau sitokrom.

Percabangan itu memberi kosekuensi kemampuan prokariota menghadapai perubahan

lingkungan. Misalnya pada kondisi aerob E. coli menyitesis oksidase, tetapi dalam

kondisi anaerob E. coli menyintesis beberapa reduktase (fumarat reduktase, nitrat

reduktase, TMAO reduktase) tergantung akseptor elektronnya.

TEMPAT KOPLING PEMBAWA ELEKTRONTransfer elektron selalu disertai pembentukan p yang diperoleh dari

perpindahan proton ke luar. Pada saat hampir bersamaan juga terjadi sintesis ATP

melalui ATPsintase ketika proton kembali masuk ke dalam.

Mitokondria mempunyai 3 titik kopling pembentukan p dan sintesis ATP, yaitu

kompleks 1, kompleks 3, dan kompleks 4. Terdapat konsensus bahwa mitokondria

mampu memindah proton sebanyak 10 setiap transfer elektron dari NADH sampai

oksigen. Kompleks 1 dan 3 mampu memindahkan 4 proton setiap transfer 2 elektron.

Bagian kompleks 3 yang mampu memindahkan proton adalah ubikuinon. Kompleks 4

hanya mampu memindah 2 proton setiap transfer 2 elektron ke akseptor terakhir.

Kompleks 1 dan 3 dapat berjalan membalik. Hal ini berarti, jika ada p, maka elektron

dapat ditransfer dari pembawa elektron dengan potensial elektroda rendah ke pembawa

elektron dengan potensial elektroda lebih tinggi. Akan tetapi, kompleks 4 tidak dapat

membalik. Hal ini berarti air tidak dapat dipakai sebagai donor elektron.

Pada prokariota terdapat 2 titik kopling pembentukan p dan sintesis ATP, yaitu

ubikuinon sitokrom bc1 (mirip kompleks 3 pada mitokondria) dan kompleks oksidase

atau reduktase (mirip kompleks 4 pada mitokondria). Akan tetapi, ubikuinon sitokrom bc1

sering hanya disebut kompleks bc1 atau sitokrom bc1. Dehidrogenase juga dapat

menjadi tempat kopling, jika dehidrogenase tersebut adalah NADH dehidrogenase.

4 PEMBENTUKAN ATP SECARA RESPIRASI (MELALUI ATPsintase)Jumlah ATP yang dihasilkan transfer elektron dari donor sampai akseptor

terakhir bervariasi tergantung jenis donornya. Jumlah ATP yang disintesis melalui

ATPsintase per 2 elektron dan akseptor elektron adalah oksigen, dilambangkan dengan

P/O. Jika akseptor elektron bukan oksigen, maka dilambangkan dengan P/2e-.

Jumlah proton yang kembali melalui kanal ATPsintase yang dikopling dengan

sintesis ATP (dilambangkan H+/ATP) bervariasi, yaitu 2-4 proton digunakan untuk

menyintesis 1 ATP (Gambar 10.14). Terdapat konsensus bahwa nilai H+/ATP

mitokondria adalah 3. Karena mitokondria mampu memindah proton sebanyak 10 proton

dan nilai H+/ATP adalah 3, maka nilai P/O-nya adalah 3,3.

Gambar 10.14 Jumlah ATP ditentukan oleh rasio proton yang dipindahkan (yH+) dengan proton yang kembali melaluai ATPase (xH+).

Perbedaan energi (ATP) yang dihasilkan masing-masing prokariota di samping

tergantung pada jenis pembawa elektron yang mampu memindahkan proton, juga

tergantung pada asosiasi kompleks respirasi dengan membran sel. Sitokrom c yang

terbenam di membran sel, mempunyai aktivitas perpindahan proton lebih kecil

dibandingkan sitokrom c periplasmik.

MEKANISME PERPINDAHAN PROTONMekanisme reaksi redoks yang dikopling dengan perpindahan proton belum

dapat dijelaskan dengan tuntas. Mekanisme perpindahan proton pada prokariota

terdapat dalam 3 cara, yaitu pompa proton, Q-loop (Q-ulang-alik), dan Q-cycle (siklus-

Q).

Pompa ProtonPerpindahan proton dengan model pompa proton terjadi pada kompleks 4

(sitokrom aa3). Bentuk sitokrom aa3 adalah kanal (seperti kanal ATPsintase; tetapi tidak

dapat membalik; Gambar 10.15). Ketika sitokrom aa3 menerima elektron dari sitokrom c,

sitokrom aa3 mengalami reduksi. Setelah mengalami reduksi, dengan cepat sitokrom

aa3 mentransfer elektron ke oksigen. Ketika terjadi perubahan dari tereduksi menjadi

teroksidasi, timbul energi eksergonik yang dapat dipakai untuk memompa proton dari

dalam ke luar. Energi eksergonik diperoleh dari perbedaan potensial elektroda antara

sitokrom aa3 dengan akseptor elektron.

Gambar 10.15 Mekanisme perpindahan proton dengan model pompa proton

Q-ulang-alikModel perpindahan proton baik Q-ulang-alik maupun siklus-Q terjadi pada

kompleks 3. Mekanisme perpindahan proton oleh kompleks 3 mitokondria dan uq-bc1

prokariota dengan model Q-ulang-alik adalah sebagai berikut (Gambar 10.16). Kuinon

yang berada di sebelah dalam membran, memerima elektron dari protein besi-belerang

(kompleks 1 atau NADH dehidrogenase). Pada saat bersamaan kuinon dapat

mengambil proton dari sitoplasma sehingga kuinon (Q) menjadi tereduksi menjadi kuinol

(QH2). Kondisi ini membuat kuinol bergerak ke sisi luar membran. Di sisi luar membran

kuinol membuang proton ke luar dan mentransfer elektron ke kompleks bc1, sehingga

teroksidasi menjadi kuinon. Kuinon bergerak kembali ke sisi dalam membran. Kompleks

bc1 mentransfer elektron ke sitokrom c. Jadi pada model Q-ulang-alik, kompleks 3 hanya

mampu memindahkan 2 proton.

Gambar 10.16 Perpindahan proton dengan model Q-ulang-alik

Siklus-QModel siklus-Q mampu menjelaskan kemampuan kompleks 3 mitokondria

memindahkan 4 proton. Kuinon pada model ini disebut ubikuinon (UQ). Ubikuinon dalam

kondisi dinamis di sepanjang membran. Artinya ubikuinon mampu bergerak di

sepanjang membran. Mekanisme perpindahan proton melalui model siklus-Q adalah

sebagai berikut (Gambar 10.17). UQ menerima elektron dari besi-belerang dan

menerima 2 proton dari sitoplasma, sehingga UQ tereduksi menjadi ubikuinol (UQH2).

Kemudian, UQH2 bergerak ke sisi luar membran. Ubikuinol membuang 2 proton ke luar

dan mentransfer 1 elektron ke besi-belerang dari kompleks 3 mitokondria (sitokrom bc1),

sehingga teroksidasi menjadi semikuinon anion (UQ-). Kemudian, semikuinon anion

mentransfer 1 elektron ke sitokrom bL, sehingga teroksidasi lagi menjadi UQ. Satu

elektron ditransfer dari sitokrom bL ke sitokrom bH. Ubikuinon menerima elektron (tidak

diketahui asalnya), sehingga mengalami reduksi menjadi UQ-. Semikuinon anion

bergerak ke sisi dalam mendekati sitokrom bH dan menerima elektron dari sitokrom bH

sehingga tereduksi menjadi UQ2- (semikuinon superanion). Semikuinon superanion

mengambil 2 proton dari matriks, sehingga menjadi UQH2. Ubikuinol bergerak ke sisi

luar membran dan teroksidasi menjadi UQ-. Semikuinon anion membuang 2 proton

keluar dan mentransfer 1 elektron ke protein besi-belerang. Protein besi belerang

menerima 2 elektron dan mentransfer ke pusat sitokrom bc1.

Gambar 10.17 Perpindahan proton dengan model siklus-Q