A.Pengaturan Asam Basa^1,2

Keasaman larutan dikenal dengan istilah pH (‘potenz’ /power hydrogen) yang pertama digunakan pada tahun 1909 oleh Soren Peter Sorensen, kimiawan Denmark.  pH menyatakan log negatif ion hidrogen dari suatu larutan, atau dapat pula digambarkan melalui rumus:pH= -log [H⁺].  Menurut Bronsted-Lowry, larutan bersifat asam apabila dapat melepaskan ion hidrogen, sedangkan basa apabila dapat menerima ion hidrogen.   Selanjutnya, semakin kuat sifat asam, maka penguraian molekul akan hampir sempurna.  Sebaliknya, asam lemah hanya akan terurai sebagian dengan konstanta disosiasi yang dikenal sebagai Ka (log negatif Ka= pKa).  Persamaan Henderson- Hasselbach menjelaskan hubungan antara pH, pKa, dan konsentrasi asam lemah serta basa konjugatnya, sebagai berikut:

Sistem respirasi  berperan dalam  pengaturan asam basa dengan cara mempertahankan PCO₂ 35-45 mmHg.  Gangguan respirasi akut yang meliputi perubahan PCO₂ dapat menyebabkan asidosis dan alkalosis respiratorik.  Selanjutnya,  jika terjadi gangguan metabolik yang menyebabkan asidosis dan alkalosis, maka akan terjadi kompensasi respiratorik.  Sebagai contoh, seseorang dengan asidosis metabolik  mengalami pernapasan Kussmaul agar CO₂ yang bersifat asam dapat dieliminasi dengan cepat.  Oleh karena itu,  pH darah tetap berada dalam rentang normal, 7,35-7,45.

B.Respirasi Seluler

Gambar b.1 Skema umum respirasi seluler

Energi untuk memperoleh ATP berasal dari oksidasi bahan bakar oleh proses respirasi.³ Selanjutnya, energi ini dihemat oleh perpindahan elektron dengan hidrogen dari bahan bakar kepada NAD⁺ dan FAD, koenzim penerima (akseptor) elektron.^3,4 Akseptor elektron memberikan elektron kepada oksigen melalui rantai transpor elektron.  Rantai transport itu sendiri terdiri dari sejumlah molekul, sebagian besar berupa protein, yang berada di membran dalam mitokondria  Penting diingat bahwa pada respirasi seluler, hidrogen yang akan bereaksi dengan oksigen berasal dari molekul organik.  Selanjutnya, respirasi ini menggunakan rantai transport elektron untuk memecah jatuhnya elektron ke oksigen menjadi beberapa langkah yang bertahap (kaskade).  Respirasi merupakan fungsi kumulatif dari  tahapan metabolik yaitu:³

1.Glikolisis dan siklus Krebs (siklus asam trikarboksilat) yang merupakan jalur katabolik yang menguraikan glukosa dan bahan bakar organik lainnya.  Sintesis ATP pada kedua tahapan ini disebut fosforilasi tingkat substrat yang terjadi apabila enzim mentransfer gugus fosfat dari substrat (molekul organik dari katabolisme glukosa) ke ADP.

2.Rantai transport elektron yang menerima produk dari dua langkah sebelumnya dimana sintesis ATP dalam proses ini disebut fosforilasi oksidatif.  Hal ini karena sintesis digerakkan oleh reaksi redoks yang mentransfer elektron dari makanan ke oksigen.   Fosforilasi oksidatif membentuk hampir 90% ATP yang dihasilkan oleh respirasi seluler.

• GLIKOLISIS^3,4

Gambar b.2 Glikolisis

Tempat: sitosol

Keterangan Tahapan:

-Proses yang menggunakan ATP adalah fase 1 (glukosa –> glukosa 6-fosfat) yang membuat glukosa menjadi lebih reaktif dan fase 3 (fruktosa-6 fosfat –> fruktosa 1,6 bifosfat).  Energi yang diperlukan untuk membentuk glukosa 6-fosfat pada fase 1 adalah -4 kkal/mol.  ∆G⁰ negatif membantu menahan glukosa sebagai gula terfosforilasi tetap  di dalam sel dan mencegah perubahan balik menjadi glukosa.  Selain itu, muatan negatif dan ukuran yang besar dari fosfat juga membuat glukosa 6-fosfat   tetap berada di dalam sel.

-Proses yang menghasilkan energi adalah fase 7 (1,3 bifosfogliserat –> 3-fosfogliserat) dan fase 10 (fosfoenol piruvat –> piruvat).

-Fruktosa 1,6 bifosfat dipecah menjadi dua gula berkarbon tiga (merupakan isomer satu sama lain) yaitu gliseraldehida fosfat dan dihidroksiaseton fosfat , yang memunculkan nama glikolisis.  Isomerase mengkatalisis perubahan reversibel dari keduanya.  Oleh karena fase berikutnya hanya menggunakan gliseraldehida fosfat, maka kesetimbangan terdorong ke arah senyawa ini dimana laju proses terbentuk sama dengan laju dikeluarkannya.

Hasil: 2 ATP, 2 NADH, 2 piruvat.  Energi tambahan disimpan dalam bentuk NADH oleh langkah 6 (1,3 bisfosgliserat) yang dapat digunakan untuk membuat ATP melalui fosforilasi oksidatif jika oksigen ada.

Kesimpulan:glikolisis terjadi dengan atau tanpa oksigen molekuler dan tidak ada CO₂ yang terbentuk atau dilepaskan melalui proses glikolisis.

• SIKLUS ASAM TRIKARBOKSILAT ^3,4

Gambar b.3 Siklus asam trikarboksilat

Tempat: matriks mitokondria

Keterangan tahapan:

-Mula-mula, pembentukan asetil CoA dari piruvat yang telah memasuki mitokondria.  Asetil CoA dibentuk dengan 1) melepas gugus karboksil piruvat sebagai CO₂, 2) fragmen berkarbon dua yang tersisa dioksidasi untuk membentuk senyawa asetat, dan 3)senyawa mengandung sulfur turunan vitamin B, koenzim A, yang diikatkan pada asetat tadi oleh ikatan yang tidak stabil sehingga sangat reaktif.

-Setiap putaran siklus, dua karbon dari asetil coA masuk dalam bentuk relatif tereduksi dan terikat pada oklsaloasetat (senyawa berkarbon empat).  Ikatan tak stabil asetil CoA dipecah begitu oksaloasetat memindahkan koenzim tersebut dan terikat ke gugus asetil.  Hasilnya adalah sitrat berkarbon enam.

-CO₂ dihasilkan pada fase 3 (isositrat –> α-ketoglutarat) dan fase 4 (α-ketoglutarat –> suksinil coA).

-Pembentukan NADH terjadi pada fase 3, 4, dan 8 ( malat –> oksaloasetat).

-Pembentukan FADH₂ terjadi pada fase 6 (suksinat –> fumarat).

-Fosforilasi tingkat substrat terjadi pada fase 5 (suksinil coA- suksinat) dimana coA ditransfer oleh gugus fosfat yang kemudian dipindahkan ke GDP untuk membentuk GTP (serupa dengan ATP).  ATP akan terbentuk apabila mendapatkan satu gugus fosfat dari GTP.

Hasil: satu molekul glukosa menghasilkan  2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂, dan 4 CO_2.

• RANTAI TRANSPOR ELEKTRON^3,4

Gambar b.4

Gambar b.5

Tempat: membran dalam mitokondria

Keterangan tahapan:

-Elektron yang ditransfer oleh NADH ke molekul pertama rantai transpor elektron yaitu flavoprotein, dengan gugus protestik flavin mononukleotida –> protein besi sulfur (Fe.S) –> ubikuinon (Q) –> sitokrom (cyt _b, cyt c_I, cyt _c, cyt _a, cyt _a3) à O₂.

-Elektron lain bersumber dari FADH₂ yang menambahkan elektron pada tingkat yang lebih rendah sehingga menyediakan energi sepertiga lebih kecil dari NADH.

-Pembentukan ATP baru terjadi melalui mekanisme pengkopelan energi, pada kompleks protein ATP sintase, yang disebut pula sebagai kemiosmosis.  ATP sintase menggunakan energi dari perbedaan konsentrasi H⁺pada sisi yang berlawanan dari H⁺ pada sisi berlawanan membran dalam mitokondria.  Gradien tersebut dapat dipertahankan melalui rantai transport elektron.  Hal ini karena rantai tersebut merupakan pengubah energi yang menggunakan aliran elektron eksergonik untuk memompa H⁺ melintasi membran.

-ATP sintase memiliki tiga bagian utama yaitu komponen silindris tonjolan tombol yang mendandung tempat katalitik, dan batang sebagai penguhubung kedua komponen lainnya.  Silinder adalah rotor yang berputar searah jarum jam apabila H+ melintas menuruni gradien sehingga batang ikut berputar dan mengaktivasi tempat katalitik dalam tombol, yang menggabungkan fosfat + ADP à ATP.

Hasil: 34 ATP dengan nilai maksimum 38 ATP.

C.Metabolisme dan Toksisitas Oksigen^5,6

Sebagian besar (90%) oksigen digunakan oleh rantai transport elektron.  Secara struktural, oksigen memiliki dua elektron yang tidak berpasangan dengan keadaan putaran paralel.  Konsekuensinya, O₂ memiliki kecenderungan membentuk spesies oksigen reaktif (Reactive Oxygen Species/ ROS) berupa superoksida (O₂^–), radikal bebas hidroksil (OH⁺), dan hidrogen peroksida (H₂O₂) .  Radikal hidroksil adalah ROS yang paling poten dan diduga sebagai pencetus reaksi peroksida lemak dan radikal organik.  Selanjutnya, hidrogen peroksida  meski bukan radikal,adalah pengoksidasi yang menghasilkan  hidroksil melalui reaksi Fenton.  Sama halnya dengan hidrogen peroksida, superoksida dapat juga membentuk hidroksil dan hidroperoksi yang lebih reaktif melalui reaksi Haber-Weiss.  Asam hipoklorit (HOCl) dalam tubuh manusia dibentuk dari hidrogen peroksida oleh neutrofil dan sel granulamatosa yang betujuan menghancurkan benda asing, yang disebut pula ledakan pernapasan (respiratory burst).

• · Reaksi Fenton

• · Reaksi Haber Weiss

ROS  dapat menyebabkan peroksidasi lipid, fragmentasi DNA, dan ikatan silang protein.  Asam lemak utama yang mengalami peroksidasi adalah PUFA yang menghasilkan produk seperti malondialdehida.  Radikal bebas dibentuk melalui:

1.reaksi redoks yang terjadi selama proses respirasi normal yaitu pada jalur rantai transport elektron, yang dihasilkan oleh sitokrom oksidase.  Meskipun dikontrol secara ketat, terdapat KoQ satu elektron bebas (KoQH⁺ ) di dalam membran yang secara kebetulan berinteraksi dengan oksigen membentuk superoksida.  Selain itu, dapat pula dibentuk melalui reaksi fenton dan Haber Weiss seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.

2.Radiasi pengion (ultraviolet) yang menghidrolisis air menjadi  gugus OH^– dan H.

3.Metabolisme enzimatik zat kimia eksogen seperti karbon tetraklorida.

4.NO mediator kimiawi alami yang dapat diubah menjadi spesies nitrit yang sangat reaktif.

Pertahanan sel terhadap toksisitas oksigen melalui dua cara yaitu:

1.pertahanan enzimatik terhadap ROS berupa superoksida dismutase, glutation peroksidase, dan katalase.

Gambar c.1

2.vitamin antioksidan meliputi A (karotenoid), C (askorbat), dan E (tokoferol).  Tokoferol α merupakan antioksidan yang paling kuat.  Vitamin E menghentikan reaksi berantai radikal bebas dengan efisien.  Hal ini karena vitamin E berinteraksi secara langsung dengan radikal peroksi lemak sehingga kehilangan hidrogennya.  Di lain sisi, askorbat yang hidrofilik dapat berinteraksi langsung dengan superoksida dan anion hidroksil serta berbagai hidroperoksida lemak.  Terakhir karotenoid dapat mencegah peroksidasi lemak melalui reaksi dengan radikal hidroperoksil lemak.

disusun oleh Herliani Halim

Referensi:

1.Marks DB, Marks AD, Smith CM.  Biokimia kedokteran dasar: asam, basa, penyangga.  Jakarta: EGC; 2000, hlm. 35-7.

2.Sedono R.  Respiratory system and acid base.  ICU Department of Anesthesiology RSCM.  Diakses 21 Juni 2011, pk. 20.00.

3.Campbell NA, Reece JB, Mitchell LG.  Biologi: respirasi seluler.  Edisi 5.  Jakarta: Penerbit Erlangga, hlm. 159-71.

4. Marks DB, Marks AD, Smith CM.  Biokimia kedokteran dasar:bioenergetik sel.  Jakarta: EGC; 2000, hlm. 272-80.

5. Marks DB, Marks AD, Smith CM.  Biokimia kedokteran dasar: metabolisme oksigen dan toksisitas oksigen .  Jakarta: EGC; 2000, hlm. 321-31.

6.Mitchell RN, Cotran RS.  Jejas, adaptasi, dan kematian sel.  In Buku ajar patologi.  Jakarta: EGC; 2007, hlm.10-11.

Sumber Gambar:

b.1: Campbell NA, Reece JB, Mitchell LG.  Biologi: Respirasi seluler.  Edisi 5.  Jakarta: Penerbit Erlangga, hlm.164 (gambar 9.6).

b.2:  http://www.biologyclass.net/glycolysis.jpg.  Diakses pada 22 Juni 2011, pk.02.53 WIB.

b.3: http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/makeatp/c8.9×12.Krebs.jpg.  Diakses pada 22 Juni 2011, pk.21.41.

b.4: http://schoolworkhelper.net/wp-content/uploads/2010/07/electron-transport-chain.jpg.  Diakses pada 22 Juni 2011, pk. 06.42.

b.5:http://www.starsandseas.com/SAS_Images/SAS_Cell_Images/SAS%20cellphy_image/ElTrCh_3.jpg.  Diakses pada 22 Juni 2011, pk.06.57.

c.1: www.scielo.br/img/revistas/ qn/v21n3/3282f8.gif.  Diakses pada 22 Juni 2011, pk.21.01.

Originally posted 2016-10-23 12:43:07.