A. Respirasi oksidatif dilakukan oleh mitokondria1. Hadirnya molekul oksigen, piruva sepenuhnya teroksidasi menjadi CO2 dan air oleh siklus asam sitratTahap kedua dari respirasi adalah oksidasi lengkap piruvat CO2 dan air melalui serangkaian reaksi yang dikenal sebagai siklus asam sitrat (CAC) (gambar 10,8). Siklus asam sitrat adalah juga dikenal sebagai siklus asam tricarboxylic (TCA) atau siklus Krebs, menghormati Hans Krebs, yang penelitian tahun 1930-an ini bertanggung jawab untuk menjelaskan proses metabolisme ini tengah. Krebs dianugerahi Penghargaan Nobel dalam Kedokteran tahun 1954 untuk kontribusinya yang luar biasa.Skema untuk siklus asam sitrat seperti yang ditunjukkan pada gambar 10,8 selalu dimulai dengan piruvat. Meskipun piruvat teknis bukan bagian dari siklus, tidak memberikan link utama antara glikolisis dan metabolisme karbon berikutnya. Perhatikan bahwa piruvat diproduksi di sitosol sementara enzim siklus asam sitrat Terletak di ruang matriks mitokondria (Bab 5). Dengan demikian agar piruvat untuk dimetabolisme oleh siklus asam sitrat, itu harus pertama akan tranlokasi melalui membran dalam. Hal ini dicapai dengan pembawa piruvat-OH antiport yaitu piruvat diambil oleh mitokondria dengan ion hidroksil yang dibawa ke dalam ruang intermembrane.Sekali di dalam matriks, piruvat teroksidasi dan decarboxylated oleh besar multienzyme kompleks piruvat dehidrogenase. Piruvat dehidrogenase mengkatalisis serangkaian reaksi terhubung lima, efek keseluruhan whichis untuk mengoksidasi satu molekul piruvat asetat karbon dua kelompok:piruvat + NAD+ + CoA asetil-KoA + NADH + H+ + CO2 (10.7)Dihasilkan dua karbon asetil akhirnya terhubung melalui ikatan thioester protein sulfur koenzim A(CoA). Dalam proses, NAD + dikurangi menjadi NADH. CO2 yang dilepaskan merupakan yang pertama dari tiga karbon atom dalam degradasi piruvat.Siklus asam sitrat tepat dimulai dengan enzim sitrat sintase, yang terkondensasi asetil dari asetil-KoA dengan empat-karbon oxaloacetate untuk membentuk enam-karbon, tricarboxylic asam sitrat (maka siklus asam sitrat penunjukan, CAC). Langkah berikutnya adalah isomerisasi sitrat untuk isocitrate (gambar 10,8, reaksi 3), diikuti oleh dua decarboxylations oksidatif berturut-turut (gambar 10,8, reaksi 4, 5). Dua CO2 molekul-molekul yang diberikan turun secara efektif menyelesaikan oksidasi piruvat yang menambahkan dua molekul lain NADH untuk kolam reductant dalam matriks mitokondria.

Keseimbangan siklus asam sitrat melayani dua fungsi. Pertama, tambahan energi dilestarikan di tiga lokasi yang lain. Satu molekul ATP terbentuk dari ADP dan fosfat anorganik ketika Suksinat terbentuk dari succinyl-CoA (gambar 10,8, reaksi 6). Karena formasi ATP terhubung langsung konversi substrat, ini adalah contoh lain dari fosforilasi substrat-tingkat. Energi tambahan dilestarikan dengan oksidasi Suksinat untuk fumarat (gambar 10,8, reaksi 7) dan oksidasi Malate untuk oxaloacetate (reaksi 9). Kedua, siklus berfungsi untuk meregenerasi molekul oxaloacetate dan jadi mempersiapkan siklus untuk menerima molekul lain asetil-KoA. Regenerasi oxaloacetate penting untuk sifat katalitik siklus yang memungkinkan molekul tunggal oxalacetate untuk menengahi oksidasi jumlah tak terbatas asetil kelompok.Dalam ringkasan, siklus asam sitrat terdiri dari delapan langkah dikatalisasi enzim, dimulai dengan kondensasi dua karbon asetil dengan empat-karbon oxaloacetate untuk membentuk amolecule sitrat enam-karbon. Asetil yang kemudian diturunkan kepada dua molekul CO2. Siklus mencakup empat pengoksidaan, yang menghasilkan NADH tiga langkah dan FADH2 pada satu langkah. Satu molekul ATP dibentuk oleh tingkat substrat fosforilasi. Akhirnya, oxaloacetate dibuat ulang, yang memungkinkan siklus terus.Sebelum meninggalkan siklus asam sitrat untuk saat ini, Hal ini berguna untuk menunjukkan bahwa siklus harus berpaling dua kali untuk memetabolisme setara dengan satu Heksosa gula.2. ELEKTRON YANG DIHAPUS DARI SUBSTRAT DALAM SIKLUS ASAM SITRAT DISAMPAIKAN KE MOLEKUL OKSIGEN MELALUI RANTAI MITOKONDRIA PENGANGKUTAN ELEKTRONKami mencatat sebelumnya bahwa salah satu fungsi utama respirasi adalah untuk mengambil dalam bentuk yang berguna sebagian energi yang awalnya disimpan dalam asimilasi. Ukuran kami tradisional berguna energi dalam proses yang paling adalah jumlah ATP molekul memperoleh atau dikonsumsi. Dengan ukuran ini sendirian, hasil dari glikolisis dan siklus asam sitrat cukup rendah. Setelah dua lengkap berubah dari siklus, satu molekul glukosa telah benar-benar teroksidasi enam molekul CO2, tetapi hanya empat molekul ATP telah diproduksi (bersih dua ATP dari glikolisis ditambah satu untuk setiap belokan siklus). Pada titik ini, sebagian besar energi yang terkait dengan molekul glukosa telah disimpan dalam bentuk pasangan elektron yang dihasilkan oleh oksidasi glycolytic dan zat antara di siklus asam sitrat. Untuk setiap molekul glukosa, total 12 pasang elektron yang dihasilkan; 10 sebagai NADH (G = 222 kJ mol1) dan dua sebagai FADH2 (G = 180 kJ mol1). Dengan demikian, total energi yang telah terjebak sebagai mengurangi kekuatan melalui tindakan glikolisis dan CAC adalah sekitar 2580 kJ mol1 [(10 222 kJ) + (2 180 kJ)]. Selain itu, produksi bersih empat ATP oleh substrat fosforilasi di glikolisis dan CAC perangkap sejumlah sekitar 125 kJ energi. Oleh karena itu, oksidasi aerobik molekul glukosa satu perangkap total sekitar 2705 kJ, yang mewakili efisiensi sekitar 94 persen (2709 2869 100%), mengingat bahwa G untuk oksidasi glukosa adalah tentang 2869 kJ mol1.

Dalam bagian ini kita akan membahas tahap ketiga respirasi seluler transfer elektron dari NADH dan FADH2 menjadi oksigen dan diringi konversi energi redoks menjadi ATP. Transfer elektron dari NADH dan FADH2 menjadi oksigen melibatkan urutan elektron operator diatur dalam tranport elektron jaringan.Membran fraksinasi penelitian telah menunjukkan bahwa enzim dan elektron operator membuat up rantai pengangkutan elektron tergabung dominan dalam empat kompleks multimolecular besar (kompleks saya IV) dan dua operator seluler yang terletak di membran mitokondria dalam (10.9 gambar). Dalam pengertian ini, ada sejumlah besar kesamaan antara membran dalam mitokondria dan membran thylakoid dalam kloroplas (bandingkan 10.9 angka dengan angka 7,6). Ini bukanlah tak terduga, karena fungsi utama membran masing-masing adalah transformasi energi dan komponen-komponen yang sama atau mirip yang terlibat. Jalan elektron dari NADH untuk oksigen dapat diringkas sebagai berikut. Elektron dari NADH memasuki rantai pengangkutan elektron melalui kompleks I, dikenal sebagai oxidoreductase NADH-ubiquinone. Selain beberapa protein, kompleks ini juga berisi erat memasuki molekul terikat flavin mononucleotide (FMN) dan beberapa nonheme besi-belerang. Kompleks saya menyampaikan elektron dari NADH untuk ubiquinone. Ubiquinone adalah beozoquinone-struktur dan fungsi yang mirip dengan plastoquinone yang ditemukan dalam membran thylakoid kloroplas (Lihat Bab 5). Seperti plastoquinone, ubiquinone sangat larut dalam lemak dan berdifusi bebas di pesawat dari membran. Hal ini tidak permanen diasosiasikan dengan kompleks saya, tetapi membentuk kolam mobile elektron partisipan yang menyampaikan elektron antara kompleks I dan III kompleks. teroksidasi oleh kompleks III, atau sitokrom c reduktase. Kompleks III berisi cytochromes b dan c1 dan pusat besi-belerang. Kompleks III pada gilirannya mengurangi molekul sitokrom c sitokrom c adalah protein perifer, di samping membran menghadapi inter membran ruang. Seperti plastocyanin dalam kloroplas, sitokrom c adalah operator seluler dan menyampaikan elektron antara III kompleks dan kompleks terminal dalam rantai, kompleks IV. Juga dikenal sebagai sitokrom c oksidase, kompleks IV berisi cytochromes dan a3 dan tembaga. Elektron yang pertama berlalu dari sitokrom c untuk sitokrom a, kemudian sitokrom a3, dan akhirnya ke molekul oksigen.

Semua enzim oksidatif siklus asam sitrat, dengan pengecualian, berada dalam matriks. Satu-satunya pengecualian adalah dehidrogenase succinic (gambar 10,8, reaksi 7). Enzim ini adalah protein integral complex (kompleks II) yang erat terikat membran mitokondria dalam (10.9 gambar). Pada kenyataannya, succinic dehidrogenase adalah enzim disukai penanda untuk membrane dalam ketika melakukan fractionations mitokondria. II yang kompleks, yang dikenal sebagai Suksinat-ubiquinone oxidoreductase, berisi flavin adenin di-nukleotida (mode), beberapa nonheme besi protein dan besi sulfur pusat. Seperti kompleks I, succinic dehidrogenase transfer elektron dari Suksinat molekul ubiquinone dari kolam membran. Dari sana elektron melewati kompleks III dan IV untuk molekul oksigen.Hal ini penting untuk dicatat bahwa gambar 10.9 menyajikan representasi statis, pada dasarnya linier aliran elektron dalam mitokondria. In vivo, organisasi ini jauh lebih dinamis. Dalam Bab 7 kita menunjukkan bahwa kompleks pengangkutan elektron dari membran fotosintetik independen didistribusikan, alih-alih diatur dalam satu kompleks supermolecular. Argumen yang sama berlaku di sini. Beberapa komplek tidak ditemukan dalam sama stoikiometri dan bebas untuk menyebar secara mandiri dalam pesawat membran batin. Kompleks besar fungsional dihubungkan melalui kolam-kolam ubiquinone dan sitokrom c, yang berfungsi sebagai operator selular dan menyampaikan elektron dari satu kompleks yang lain sebagian besar berdasarkan acak tabrakan.B. ENERGI DISIMPAN DALAM BENTUK ATP SESUAI DENGAN CHEMIOSMOSISSebagai elektron berlalu dari NADH (atau FADH2) untuk oksigen melalui rantai pengangkutan elektron, ada penurunan yang besar dalam energi bebas. Perubahan energi bebas sebenarnya adalah kuantitatif yang sama, tetapi dari seberang tanda, dengan jumlah yang dikonsumsi kapan elektron akan dipindahkan dari air ke NADPH dalam fotosintesis (Bab 7). Energi ini kekal pertama dalam bentuk gradien proton dan akhirnya sebagai ATP. Energetika untuk sintesis ATP dijelaskan oleh Mitchell's hipotesis chemiosmotic, dijelaskan sebelumnya dalam Bab 5. Di sini fokusnya adalah pada spesifik, biokimia mekanistik rincian proton gradien dan ATPsynthesis yang berlaku untuk mitokondria.Studi tentang rasio P/O (atom-atom dari fosfor esterified sebagai ATP relatif terhadap atom oksigen terekduksi) dan berbagai inhibitor telah menetapkan bahwa ada tiga transisi dalam rantai pengangkutan elektron yang berhubungan dengan ATP sintesis. Menempatkan lain cara, ketika internal atau matrix NADH teroksidasi, rasio P/O adalah sekitar 3. Menurut Mitchell's hipotesis, kemudian, transisi ini mewakili lokasi, biasanya digambarkan pompa proton, mana kontribusi dibuat untuk proton gradien di membran batin mitokondria. Tiga lokasi, terkait dengan kompleks I, III, dan IV, masing-masing, yang diidentifikasi dalam gambar 10.9. Gradien proton dihasilkan kemudian drive ATP sintesis melalui sintase F0-F1-ATP yang kompleks terletak di membran sama (lihat bawah). Karena sintesis ATP mitokondria erat dengan konsumsi oksigen, itu disebut fosforilasi asmoxidative.Dalam mitokondria transport elektron, proton yang diekstrusi dari matriks ke ruang intermembrane. Proton ekstrusi dikaitkan dengan kompleks I (situs 1) dapat dijelaskan oleh pengaturan vectorial kompleks di membran. Ketika sepasang elektron disumbangkan ke kompleks oleh NADH, sepasang proton yang diambil dari matriks. Ketika elektron yang kemudian disampaikan kepada ubiquinone, proton dilepaskan ke dalam ruang intermembrane. Proton ekstrusi terkait dengan kompleks III (situs 2) mungkin adalah karena operasi '' Q-siklus,'' dijelaskan dalam Bab 7 (Lihat Bab 7, sosok 7.10). Kontribusi sitokrom c oksidase (situs 3) untuk proton gradien telah menjadi subjek beberapa diskusi selama bertahun-tahun. Percobaan dengan enzim terisolasi yang dimasukkan ke dalam lipid esicles menunjukkan bahwa sitokrom c oksidase mampu mentransfer proton melewati membran.Hasil ini sulit untuk menjelaskan, karena cytochromes pertukaran hanya elektron, tidak proton, ketika berkurang dan teroksidasi. Namun, H / pairratio elektron untuk situs 3 adalah sekitar 2, yang mudah dapat dijelaskan oleh dua proton yang dikonsumsi dari matriks ketika oksigen dikurangi ke dalam air. Ini sama prinsipnya dengan produksi proton di ruang intrathylakoid, seperti air teroksidasi pada awal fotosintetik pengangkutan elektron (Lihat Bab 7, 7,6 gambar). Stoikiometri proton '' ekstrusi '' (istilah ini diterapkan Apakah proton secara fisik membawa seluruh membran) telah diteliti secara ekstensif. Tampaknya bahwa sekitar sembilan proton yang diekstrusi untuk setiap pasangan elektron yang disampaikan dari internal (atau matriks) NADH untuk oksigen.Hubungan antara proton gradien dan sintesis ATP di mitokondria yang mewujudkan prinsip yang sama sebelumnya dijelaskan untuk ATP sintesis di dalam kloroplas: (1) membran batin hampir Kedap proton; (2) proton motif force (pmf) didirikan di membran oleh kombinasi potensial membran dan ketidakseimbangan proton; dan (3) ATP sintesis didorong oleh kembalinya proton ke dalam matriks melalui kompleks protein membran integral dikenal beragam sebagai sintase ATP, faktor kopling atau F0-F1-ATPase. Menurut persamaan 10,8, pmf terdiri dari dua komponen utama: komponen kimia, yang adalah, pH, yang mencerminkan perbedaan dalam H + konsentrasi, dan komponen listrik, yang mencerminkan perbedaan dalam biaya antara matriks dan ruang intermembrane.Karena kapasitas sitosol penyangga perubahan pH di ruang intermembrane, pH berkontribusi minimal pmf keseluruhan dalam mitokondria. Maka, berbeda dengan kloroplas, perbedaan (-) muatan listrik di membran batin adalah faktor utama yang berkontribusi terhadap Angkatan motif proton yang dihasilkan oleh mitokondria.Mitokondria ATP sintase struktural dan fungsional serupa kloroplas enzim. Terdiri dari hidrofobik, pembentukan saluran sebagian (F0) yang mencakup membran ditambah multimeric, protein perifer menghadap matriks (F1) yang pasangan proton translokasi sintesis ATP. Seperti dalam kasus kloroplas, H / rasio ATP adalah sekitar 3. Karena sembilan proton yang diekstrusi untuk setiap pasangan elektron bergerak melalui seluruh rantai, ini berarti bahwa total tiga molekul ATP bisa terbentuk dari setiap NADH diproduksi dalam matriks. Elektron yang memasuki rantai dari extramitochondrial NADH, Suksinat, atau melalui rotenone-sensitif dehidrogenase (Lihat di bawah), Semua tiga yang melewati situs 1, maksimum dua ATP dapat dibentuk.Tidak seperti dalam kloroplas, sebagian besar ATP yang disintesis di mitokondria digunakan di tempat lain dalam sel. Hal ini memerlukan bahwa ATP mudah diangkut dari organel. Juga, pasokan ADP dan fosfat anorganik diperlukan untuk menjaga tingkat maksimum pengangkutan elektron dan sintesis ATP. Hal ini dicapai dengan dua protein translocator terpisah yang terletak di dalam membran. Transporter nukleotida adenin terletak di dalam membran (gambar 10,10) pertukaran ATP dan ADP secara satu-untuk-satu. Translocator fosfat anorganik pertukaran Pi untuk ion hidroksil.

C. TANAMAN MEMILIKI BEBERAPA JALUR ALTERNATIF PENGANGKUTAN ELEKTRONreaksi pengangkutan elektron yang dijelaskan di atas bersama dalam bentuk yang pada dasarnya sama oleh hampir semua organisme: tanaman, hewan, dan mikroorganisme. Selain itu, tanaman mitokondria berisi beberapa enzim redoks lain, setidaknya dua diantaranya unik untuk tanaman (gambar 10.11). Enzim-enzim ini telah menemukan sebagian besar karena mereka ketidaksensitifan untuk inhibitor pengangkutan elektron tertentu klasik.1. Mitokondria tanaman mengandung dehidrogenase eksternalTidak seperti hewan mitokondria, tanaman mitokondria mengandung dehydrogenases '' eksternal '' yang menghadap ruang intermembrane dan mampu mengoksidasi denganrasio NADH dan NADPH masing-masing (gambar 10.11). Sebagai akibatnya, elektron dari oksidasi denganrasio NADH atau NADPH menyumbangkan langsung ke kolam renang ubiquinone. Karena enzim dehidrogenase eksternal tidak span membran, mereka tidak akan translocate proton sebagai kompleks aku tidak. Akibatnya, hanya dua ATP dapat dibentuk dari transfer setiap pasangan elektron untuk oksigen.2. TANAMANMEMILIKISENSITIF ROTENONENADHDEHIDROGENASEPengurangan ubiquinone oleh kompleks aku sensitif terhadap inhibisi oleh rotenone dan amytal. Tanaman, bagaimanapun, tampaknya memiliki dehidrogenase NADH lain yang sensitif terhadap keduanya inhibitor pengangkutan elektron ini. Disebut dehidrogenase rotenone-sensitif, enzim ini akan mengoksidasi hanya internal, atau matriks, NADH (gambar 10.11). Enzim harus karena itu berada pada permukaan membrane, menghadapi matriks batin.Seperti dengan eksternal NADH dan NADPH dehidrogenase enzim, elektron memasuki rantai melalui dehidrogenase rotenone-sensitif dapat menghasilkan ATP hanya dua per pasang elektron. Dengan demikian, membran batin dari tanaman mitokondria berisi empat dehydrogenases NADPH berbeda menunjukkan rasio P/O yang berbeda: (1) dehidrogenase NADH internal; (2) rotenone-insensitiveNADHdehydrogenase; (3) dehidrogenase NADH eksternal; dan (4) NADPH dehidrogenase eksternal.