Pompa Natrium-Kalium

Transpor aktif adalah perpindahan zat melalui membran selektif permiabel dari tempat yang konsentrasi zatnya rendah ke tempat yang konsentrasi zatnya tinggi menggunakan energi (ATP) dan enzim pengangkut (protein carier). Transpor aktif dipengaruhi oleh muatan listrik di dalam dan di luar sel, dimana muatan listrik ini ditentukan oleh ion natrium (Na+), ion kalium (K+), dan ion klorin (Cl-). Keluar masuknya ion Na+ dan K+ diatur oleh pompa natrium-kalium. Transpor aktif dapat berhenti jika sel didinginkan, mengalami keracunan, atau kehabisan energi.

Transpor aktif memerlukan molekul pengangkut berupa protein integral pada membran, dimana di dalam molekul ini, terdapat situs pengikatan. Proses transport aktif dimulai dengan pengambilan tiga ion Na+ dari dalam sel dan menempati situs pengikatan pada protein integral. Energi diperlukan untuk mengubah bentuk protein integral pada membran yang sebelumnya membuka ke arah dalam sel menjadi membuka ke bagian luar sel. Selanjutnya, ion Na+ terlepas dari situs pengikatan dan keluar dari protein integral menuju ke luar sel. Kemudian dari luar sel, dua ion K+ menempati situs pengikatan di protein integral. Bentuk protein integral berubah, dari sebelumnya membuka ke arah luar menjadi membuka ke arah dalam sel dan ion kalium dilepaskan ke dalam sel.

Pada sebagian besar jaringan, pompa natrium-kalium yang bertanggung jawab akan transport aktif ganda dari Na⁺ keluar sel K⁺ masuk ke dalam sel merupakan suatu protein unik pada membrane sel. Kondisi ini melawan gradien konsentrasi karena natrium di dalam sel lebih banyak daripada di luar sel dan demikian juga sebaliknya untuk kalium. Analoginya, karena transpor melawan arus, maka transpor tidak berlangsung spontan dan dibutuhkan energi untuk menggerakkannya.

Pompa mengeluarkan tiga Na+ dari sel untuk setiap dua K+ yang dimasukkan kedalam sel, yaitu ia mempunyai copling rasio sebesar 3/2. Aktivitasnya dihambat oleh quabain dan glikosida digitalis lain yang digunakan pada pengobatan payah jantung. Ia dibentuk dari du subunit α masing-masing dengan berat molekul sekitar 95.000, dan dua subunit β masing-masing dengan berat molekul sekitar 40.000. Pemisahan subunit-subunit mengakibatkan kehilangan aktivitas ATPase. Sebunit α mempunyai tempat ikatan untuk ATP dan quabain, sedangkan subunit adalah glikoprotein. Pemberian ATP dengan mikropipet ke bagian dalam membran meningkatkan transport, sedangkan pemberian ATP di luar membrane tidak mempunyai efek. Sebaliknya, quabain menghambat transport bila diberikan diluar membrane tetapi tidak menimbulkan efek bila diberikan di dalam membran.

Protein ini juga merupakan adenosin triphospat, yaitu suatu enzim yang mengkatalisis hidrolisa ATP menjadi adenosine difosfat (ADP), dan diaktifkan oleh Na⁺ dan K⁺. Akibatnya ia dikenal sebagai natrium-kalium yang mengaktifkan adenosine trifosfat (Na⁺ - K⁺ ATPase). ATP menyediakan energi untuk transpor

     Protein berada dalam 2 keadaan konformasi (penyesuaian diri). Pada salah  satu konformasi, tiga Na+ berikatan dengan tempat-tempat yang hanya dapat dicapai dari bagiian dalam membrane. Hal ini mendorong hidrolisis ATP, dan protein mengubah konformasinya sehingga tiga Na+ dikeluarkan ke CES. Pada konformasi ke dua, dua K+ berikatan dengan tempat-tempat yang hanya dapat dicapai dari luar membran. Hal ini mendorong pengembalian ke konformasi semula sementara mengeluarkan dua K+ ke bagian dalam sel. Kelihatannya, pengikatan Na+ dihubungkan dengan fosforilasi protein dan pengikatan K+ dengan fosforilasi.

Mekanisme pompa Na-K adalah sebagai berikut:

·         Pengikatan Na+ sitoplasmik dengan protein menstimulasi fosforilasi oleh ATP

·         Fosforilasi menyebabkan perubahan konformasi protein

·         Perubahan konformasi mengusir Na+ keluar dan K+ ekstraseluler diikat

·         Pengikatan K+ memicu pelepasan gugus fosfat

·         Kehilangan fosfat membentuk kembali konformasi asli

·         K+ dilepaskan dan tempat Na+ mampu mengikat kembali; siklus berulang kembali.

2.      Fosforilasi Oksidatif

Fosforilasi oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme dengan penggunaan energi yang dilepaskan oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan ATP, dan mereduksi gas oksigen menjadi air. Walaupun banyak bentuk kehidupan di bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semua organisme menjalankan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP, oleh karena efisiensi proses mendapatkan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya seperti glikolisis anaerobik.

Rantai transpor elektron dalam mitokondria merupakan tempat terjadinya fosforilasi oksidatif pada eukariota. NADH dan suksinat yang dihasilkan pada siklus asam sitrat dioksidasi, melepaskan energi untuk digunakan oleh ATP sintase.

Selama fosforilasi oksidatif, elektron ditransfer dari pendonor elektron ke penerima elektron melalui reaksi redoks. Reaksi redoks ini melepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. Pada eukariota, reaksi redoks ini dijalankan oleh serangkaian kompleks protein di dalam mitokondria, manakala pada prokariota, protein-protein ini berada di membran dalam sel. Enzim-enzim yang saling berhubungan ini disebut sebagai rantai transpor elektron. Pada eukariota, lima kompleks protein utama terlibat dalam proses ini, manakala pada prokariota, terdapat banyak enzim-enzim berbeda yang terlibat.

            Fosforilasi oksidatif bekerja dengan cara menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan energi untuk mendorong reaksi yang memerlukan energi. Kedua set reaksi ini dikatakan bergandengan. Hal ini berarti bahwa salah satu reaksi tidak dapat berjalan tanpa reaksi lainnya. Alur elektron melalui rantai transpor elektron adalah proses eksergonik, yakni melepaskan energi, manakala sintesis ATP adalah prosesendergonik, yakni memerlukan energi. Baik rantai transpor elektron dan ATP sintase terdapat pada membran, dan energi ditransfer dari rantai transpor elektron ke ATP sintase melalui pergerakan proton melewati membran ini. Proses ini disebut sebagai kemiosmosis. Dalam prakteknya, ini mirip dengan sebuah sirkuit listrik, dengan arus proton didorong dari sisi negatif membran ke sisi positif oleh enzim pemompa proton yang ada pada rantai transpor elektron. Enzim ini seperti baterai. Pergerakan proton menciptakan gradien elektrokimiawi di sepanjang membran, yang sering disebut gaya gerak proton. Gradien ini mempunyai dua komponen. perbedaan pada konsentrasi proton (gradien pH) dan perbedaan pada potensi listrik. Energi tersimpan dalam bentuk perbedaan potensi listrik dalam mitokondria, dan juga sebagai gradien pH dalam kloroplas. ATP sintase juga dapat memompa ion H+ keluar dari dalam matriks, apabila terjadi hidrolisis ATP pada kutub kompleksnya.

Walaupun fosforilasi oksidatif adalah bagian vital metabolisme, ia menghasilkan spesi oksigen reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida. Hal ini dapat mengakibatkan pembentukan radikal bebas, merusak sel tubuh, dan kemungkinan juga menyebabkan penuaan. Enzim-enzim yang terlibat dalam lintasan metabolisme ini juga merupakan target dari banyak obat dan racun yang dapat menghambat aktivitas enzim.

Dari teori ini, keseluruhan reaksi kemudian disebut fosforilasi oksidatif.

Awal li            ntasan dimulai dari elektron yang dihasilkan oleh siklus asam sitrat yang ditransfer ke senyawa:

• NAD⁺ yang berada di dalam matriks mitokondria. Setelah menerima elektron, NAD⁺ akan bereaksi menjadi NADH dan ion H⁺, kemudian mendonorkan elektronnya ke rantai transpor elektron kompleks I.^[4]
• dan FAD yang berada di dalam rantai transpor elektron kompleks II.^[5] FAD akan menerima dua elektron, kemudian bereaksi menjadi FADH₂ melalui reaksi redoks.

3.        Proses Glikolisis

Pada dasarnya metabolisme glukosa dapat dibagi dalam dua bagian yaitu yang tidak menggunakan oksigen atau anaerob dan yang menggunakan oksigen atau aerob. Dengan adanya oksigen (dalam suasana aerob), glikolisis berlangsung menghasilkan piruvat, atau tanpa oksigen (glikolisis anaerob) menghasilkan laktat. Glikolisis menghasilkan dua senyawa karbohidrat beratom tiga dari satu senyawa beratom enam ; pada proses ini terjadi sintesis ATP dari ADP + Pi. Reaksi anaerob terdiri atas serangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi asam laktat. Proses ini disebut glikolisis. Dalam keadaan tanpa oksigen respirasi terhenti karena proses pengangkutan electron yang dirangkaikan dengan fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pernafasan yang menggunakan molekul oksigen sebagai penerima electron terakhir, tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs) akan terhenti pula sehingga piruvat tidak lagi masuk ke dalam daur Krebs melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu diubah menjadi asam laktat oleh lakatat dehidrogenase dengan NADH sebagai sumber energinya.

Dalam hal ini dua molekul NADH yang dihasilkan oleh reaksi tahap kelima dalam glikolisis (reaksi dengan gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase) tidak dipakai untuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk reaksi reduksi dua molekul asam piruvat menjadi asam laktat. Jadi pada glikolisis anaerob ini energi yang dihasilkan hanya dua molekul ATP saja. Jumlah ini jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob, yaitu 8 ATP.

Tiap reaksi dalam proses glikolisis ini menggunakan enzim tertentu, dan akan dibahas satu demi satu.

1.      Heksokinase

Tahap pertama proses glikolisis adalah pengubahan glukosa menjadi glukosa -6- fosfat dengan reaksi fosforilasi. Enzim heksokinase merupakan katalis dalam reaksi tersebut dibantu oleh ion Mg⁺ sebagai kofaktor. Enzim ini ditemukan oleh Meyerhof pada tahun 1927 dan telah dikristalkan dari ragi, mempunyai berat molekul 111.000. Heksokinase yang berasal dari ragi dapat merupakan katalis pada reaksi pemindahan gugus fosfat dari ATP tidak hanya kepada glukosa tetapi juga kepada fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam otak, otot dan hati terdapat enzim heksokinase yang multi substrat ini. Disamping itu adapula enzim-enzim yang khas tetapi juga kepada fruktosa, manosa, dan glukosamina. Dalam kinase hati juga memproduksi fruktokinase yang menghasilkan fruktosa -1- fosfat.

Enzim heksokinase dari hati dapat dihambat oleh hasil reaksi sendiri. Jadi apabila glukosa -6- fosfat terbentuk dalam jumlah banyak, maka senyawa ini akan menjadi inhibitor bagi enzim heksokinase tadi. Selanjutnya enzim akan aktif kembali apabila konsentrasi glukosa -6- fosfat menurun pada tingkat tertentu.

2.      Fosafoheksoisomerase

Reaksi berikutnya ialah isomerisasi, yaitu pengubahan glukosa -6- fosfat menjadi fruktosa -6- fosfat, dengan enzim fosfoglukoisomerase. Enzim ini tidak memerlukan kofaktor dan telah diperoleh dari ragi dengan cara kristalisasi. Enzim fosfoheksoisomerase terdapat pada jaringan otot dan mempunyai berat molekul 130.000.

3.      Fosfofruktokinase

Fruktosa -6- fosfat diubah menjadi fruktosa -1,6- difosfat oleh enzim fosfofruktokinase dibantu oleh ion Mg⁺ sebagai kofaktor. Dalam reaksi ini gugus fosfat dipindahkan dari ATP kepada fruktosa -6- fosfat dan ATP sendiri akan berubah menjadi ADP. Fosfofruktokinase dapat dihambat atau dirangsang oleh beberapa metabolit, yaitu senyawa yang terlibat dalam proses metabolisme ini. Sebagai contoh, ATP yang berlebih dan asam sitrat dapat menghambat, dilain pihak adanya AMP, ADP, dan fruktosa-6- fosfat dapat menjadi efektor positif yang merangsang enzim fosfofruktokinase. Enzim ini adalah suatu enzim alosterik dan mempunyai berat molekul kira-kira 360.000.

4.      Aldolase

Reaksi tahap keempat dalam rangkaian glikolisis adalah penguraian molekul fruktosa -1,6- difosfat membentuk dua molekul triosa fosfat, yaitu dihidroksi acetone fosfat dan D-gliseraldehida-3-fosfat. Dalam tahap ini enzim aldolase yang menjadi katalis, telah ditemukan dan dimurnikan oleh Warburg. Enzim ini terdapat dalam jaringan tertentu dan dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguraian beberapa ketosa dan monofosfat, misalnya fruktosa -1,6- difosfat, segoheptulosa -1,7- difosfat, fruktosa -1- fosfat, Eritrulosa -1- fosfat. Hasil reaksi penguraian tiap senyawa tersebut yang sama adalah dihidroksi acetone fosfat.

5.      Triosafosfat Isomerase

Dalam reaksi penguraian oleh enzim aldolase terbentuk dua macam senyawa, yaitu D-gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat. Yang mengalami reaksi lebih lanjut dam proses glikolisis ialah D-gliseraldehid-3-fosfat. Andaikata sel tidak mampu mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi D-gliseraldehida-3-fosfat, tentulah dihidroksi aseton fosfat akan tertimbun dalam sel. Hal ini tidak berlangsung karena dalam sel terdapat enzim triosafosfat isomerase yang dapat mengubah dihidroksi aseton fosfat menjadi D-gliseraldehida-3-fosfat. Adanya keseimbangan antara kedua senyawa tersebut dikemukakan oleh Meyerhof dan dalam keadaan keseimbangan dihidroksi aseton fosfat terdapat dalam jumlah dari 90%. Enzim ini bekerja sebagai katalis pada reaksi oksidasi gliseraldehida -3-fosfat menjadi asam 1,3 difosfogliserat. Dalam reaksi ini digunakan koenzim NAD⁺, sedangkan gugus fosfat diperoleh dari asam fosfat. Reaksi oksidasi ini mengubah aldehida menjadi asam karboksilat. Gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase telah dapat diperoleh dalam bentuk kristal dari ragi dan mempunyai berat molekul 145.000.