Metabolism loves to convert energy: Electron Transport Chain
Hmmmm, sekarang yang menjadi pertanyaan terbesar adalah kemana semua elektron yang dibawa oleh NADH dan FADH2 akan pergi?? Apa akan dibuang saja?? Wah, ternyata sel juga tau kalau NADH dan FADH2 bukanlah senyawa di alam semesta ini yang paling tinggi potensial redoksnya. Molekul yang paling tinggi potensial redoksnya di alam semesta adalah molekul oksigen. Sehingga, bisa dilakukan lagi sekali lagi…. Transfer elektron dari NADH dan FADH2 ke oksigen tuk menghasilkan energi tambahan melalui suatu cara yang sangat kompleks. Lagi-lagi kita tidak boleh langsung bummm!! dari molekul NADH dan FADH2 langsung ke oksigen karena tidak efisien sehingga perlu beberapa langkah di antaranya.
Langkah-langkah ini lah teman-teman sekalian yang dinamakan sebagai rantai transport elektron. Kalau tadi glikolisis di sitoplasma sel eukariot, dekarboksilasi oksidatif dan siklus Krebs di matriks mitokondria, maka rantai transport elektron berada di membran internal dari mitokondria. Itulah alasan kenapa membran dalam mitokondria sangat berlipat, karena untuk menyediakan banyak tempat untuk rantai transport elektron.
Sekilas kalau kita liat gambar pasti bingung ya…. Tetap teman-teman jangan hafal mati karena kalian tidak akann mendapatkan esensi dari pembelajaran disini. Kalau teman-teman bingung, saya sarankan buka youtube atau baca web di internet biar lebih kinclong. INGAT dan PAHAM! Saya akan pelan-pelan mengajak kalian bersama Adenoshua untuk mengeksplorasi proses evolusioner terhebat sepanjang masa yang telah berkembang di dalam sel prokariot maupun eukariot. Ladies and Gentlemen, behold the………ELECTRON TRANSPORT CHAIN!!!!
Pertama, NADH yang membawa elektron bergerak menuju ke suatu bagian dari membran dalam mitokondria yang dinamakan sebagai kompleks I. Kompleks satu mengandung suatu senyawa yang memiliki potensial redoks yang lebih tinggi dibandingkan dengan NADH. (Jika terus-terus tidak mengerti potensial redoks, ingat aja kalau elektron suka berpindah ke potensial listrik yang lebih positif, negatif suka positif). Senyawa tersebut dinamakan sebagai FMN atau Flavin mononukleotida. Oksidasi NADH akan menreduksi FMN sehingga elektron berpindah dengan spontan.
FMN membawa elektron tersebut ke senyawa yang lebih tinggi lagi potensial redoksnya yaitu kompleks protein Fe-S sembari mengeluarkan ion H+ atau proton ke dalam ruang intermembran. Hal ini karena kompleks protein Fe-S tidak memerlukan proton dalam proses reduksinya….Wow!
Selanjutnya, elektron dari kompleks Fe-S memasuki siklus Q atau siklus ubiquinone. Siklus ubiquinon ini intinya mendapatkan elektron dari kompleks Fe-S dan dari kompleks II. Kompleks II ini mengandung enzim suksinat dehidrogenase (ingat siklus Krebs) sebagai tempat oksidasi suksinat menjadi fumarate dengan mereduksi FAD+ menjadi FADH2. Sumbangan elektron dan proton kepada ubiquinon akan mendorong ekstruksi proton secara aktif ke dalam ruang intermembran karena reaksi tersebut memicu serangkaian perubahan kimia dari ubiquinon yang menjalani siklus tersebut (Jika ingin lebih dalam, cek internet Q cycle).
Elektron yang diambil dari ubiquinon ditransfer lebih lanjut ke kompleks III. Kompleks III ini mengandung banyak jenis kompleks sitokrom. Kalau pake logika, kira-kira potensial redoksnya sitokrom ama ubiquinon mana lebih rendah???? Hmmmm benar…..ubiquinon lebih rendah atau sitokrom lebih tinggi sehingga elektron ditransfer secara spontan. Kompleks III ini memfasilitasi proses Q cycle yang tadi dengan cara yang rumit.
Yang terakhir adalah elektron pergi ke kompleks IV, dimana sitokrom a3 merupakan senyawa potensial redoks yang paling tinggi di antara semua sitokrom. Sitokrom a3 ini nah… akan mentransfer elektronnya ke siapa…. Hayyoooo??? IYA betul, molekul oksigen. Molekul oksigen adalah molekul yang memiliki potensial redoks yang paling tinggi di antara semua senyawa dalam rantai traanspor elektron. Bisa dibilang dalam pelajaran kimia, unsur apa yang paling elektronegatif di tabel periodic? Oksigen kan… maka oksigen memiliki kecenderungan untuk menarik elektron yang sangat tinggi sehingga mudah direduksi. Reduksi oksigen oleh elektron dan proton akan membentuk molekul air. Eits! Ternyata reduksi molekul oksigen menyisakan sedikit energi untuk mentranspor aktif proton ke ruang intermembran oleh kompleks IV melalui serangkaian perubahan kimia.
Apakah semuanya sudah selesai teman-teman?? Adenoshua bertanya kalau rantai transport elektron menghasilkan energi yang dibawa dari transfer elektron tadi, buktinya mana??? Buktinya adalah hahahaha tidak langsung kalian sudah menyimak bahwa ada peningkatan konsentrasi ion hidrogen atau proton yang secara aktif ditranspor, itulah hasil kerja dari transfer elektron tadi.
Nah, bagaimana cara mengubah konsentrasi ion hidrogen yang begitu tinggi di ruang intermembrane menjadi energi?? Jika pake analogi, ada air di waduk sebelah yang sangat banyak, sedangkan ada air yang sangat sedikit di waduk sebelahnya. Untuk menghasilkan energi, kita pake turbin air kan…Maka itu, ada suatu kompleks terakhir dari rantai transport elektron yang memfasilitasi perpindahan ion hidrogen yang pada dasarnya akan menghasilkan energi. YAITU kompleks ATP SINTASE.
ATP sintase ini menggunakan prinsip mekanika turbin yang bekerja secara molecular. Ketika ion hidrogen berusaha keluar dari ruang intermembrane menuju matriks melalui kompleks ini, motor ATP sintase berputar. Energi putar tersebut mengubah ADP menjadi ATP. Inilah keseluruhan dari poin-poin mengekstraksi gula menjadi ATP.
Kita akan merangkum yaa… Kira-kira satu molekul glukosa akan menghasilkan apa ya d setiap bagian
Glikolisis => 2 ATP net + 2 NADH
Dekarboksilasi Oksidatif => 2 NADH (double reaction)
Siklus Krebs => 6 NADH + 2 GTP + 2 FADH2 (double cycle)
NADH kalau kita telusuri rantai transport elektron mendorong berapa ion hidrogen ke dalam ruang intermembrane? Bagaimana dengan FADH2? NADH= 10 H+ dan FADH2= 6 H+. Tiga ion proton yang memutar kompleks ATP Sintase mendorong pembentukan 1 molekul ATP dari ADP. Berarti NADH akan mendorong pembentukan 3,3 ATP (dibulatkan menjadi 3 ATP) dan FADH2 sebanyak 2 ATP. Nah, ini yang menjadi menyenangkan kalau ternyata satu molekul glukosa akan menghasilkan 8 molekul ATP dari glikolisis, 6 molekul ATP dari dekarboksilasi oksidatif, dan 24 molekul ATP dari siklus Krebs. Molekul GTP ntar juga bakal dipake untuk fosforilasi ADP menjadi ATP. Sehingga satu molekul glukosa membutuhkan
6 molekul oksigen (10 NADH dan 2 FADH2 akan mengoksidasi 12 molekul ½ oksigen seperti reaksi reduksi di atas)
Mengeluarkan 6 molekul air.
Mengeluarkan 6 molekul karbon dioksida (4 molekul dari siklus Krebs dan 2 molekul dari dekarboksilasi oksidatif).
Satu mol ATP menghasilkan kurang lebih 30.5 kilo Joule energi. Satu mol glukosa menghasilkan 38 mol ATP, dikurangi 2 mol ATP karena energi diperlukan untuk memindahkan NADH dari sitoplasma ke mitokondria, sehingga menjadi 36 mol ATP. Satu mol glukosa (180 gram glukosa) akan menghasilkan energi sebanyak 30500 joule energi atau sekitar 7320 kkal, dimana normalnya rata-rata perhari orang beraktivitas ringan membutuhkan antara 1500-2000 kkal.
Reaksi yang sering kita pelajari pas waktu SMP tentang oksidasi biologi:
C6H12O6 + 6O2 + 6CO2 + 6H2O ΔH = -30,5 kJ/mol glukosa
Yang perlu dipahami filosofisnya adalah bahwa satu mol glukosa tetap akan memancarkan energi sebanyak 30.5 kilojoule. Namun, yang menjadi permasalahan utama adalah bagaimana kita mengubah energi kimia menjadi energi yang bisa digunakan secara efisien. Pembakaran bukannlah suatu cara yang efisien untuk mendapatkan energi hasil konversi, maka itulah semakin banyak cara yang dilakukan untuk mengekstraksi gula dengan langkah yang seefisien mungkin, maka keseluruhan energi dapat digunakan hingga titik penghabisan dimana tidak ada energi yang hilang sia-sia.
Maka, Adenoshua mengucapkan selamat belajar dan menempuh perjalanan hidup dengan pemikiran bahwa kita adalah mesin pengubah energi yang paling efisien dari mesin-mesin pengubah energi buatan manusia. Terima kasih!!
Referensi:
Campbell, Neil A and Jane B Reece. Biology. 9th ed. San Francisco: Pearson, Benjamin Cummings, 2012. Print.
Madigan, Michael T and Thomas D Brock. Brock Biology Of Microorganisms. Boston [Mass.]: Benjamin Cummings, 2012. Print.
Voet, Donald, Judith G Voet, and Charlotte W Pratt. Fundamentals Of Biochemistry. New York: Wiley, 1999. Print.
Freeman, Scott. Biological Science. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings, 2008. Print.
