MITOKONDRIA

Oleh Nurul Asikin, S.Pd., M.Pd.

 

  1. Asal Usul (Teori Endosimbiosis)

Asal usul mitokondria diduga berasal dari bakteri yang mirip dengan Rickettsia yang hidup bebas kemudian bersimbiosis dengan nenek moyang sel eukariotik membentuk endosimbiosis sekitar satu milyar tahun yang lalu. Sel inang menyediakan nutrien yang kaya energi bagi mitokondria, sedangkan mitokondria menjadi alat untuk mengubah nutrien menjadi energi dengan menggunakan oksigen. Endosimbiosis ini saling menguntungkan antara kedua belah pihak yakni bakteri (sel prokariotik) dan sel eukariotik (Bray, Johnson, Raff, & Walter, 2009). Proses simbiosis tersebut terus berlanjut dan hingga saat ini, mitokondria merupakan organel yang sangat penting bagi sel eukariot karena berkaitan dengan kemampuannya dalam menghasilkan energi bagi sel tersebut. Mekanisme endosymbiosis tersebut tergambar sebagai berikut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 1. Mekanisme dalam Teori Endosymbiosis (Bray et al., 2009)

 

Beberapa bukti yang diyakini oleh para ilmuwan mengenai teori ini di antaranya:

  1. Rickettsia merupakan organisme endosimbion yang memiliki persamaan dengan mitokondria dalam hal struktur maupun komponen enzim (Gambar 2).
  2. Rickettsia sebagai salah satu genus bakteri gram negatif yang selain itu juga mampu melakukan simbiosis dengan kultur sel eukariotik (Gambar 3) (Bray et al., 2009).

 

 

https://3.bp.blogspot.com/-dorCNhFHgeE/V_s7phWjdDI/AAAAAAAAFf4/Hm5hEgDkGD0O0kAnic7NAts78wwhbALSQCLcB/s400/metabolisme%2Brickettsia%2Bmitokondria.jpg

Gambar 2. Persamaan piruvat pada mitokondria eukariotik dan Rickettsia (Bray et al., 2009)

 

https://1.bp.blogspot.com/-kVCozX4QN3o/V_s71LaCnFI/AAAAAAAAFf8/i5ReAOyZPnIn4XnHwvBhvcNW38q-TIvBACLcB/s400/kultur%2Brickettsia%2Beukariotik.jpg

Gambar 3. Rickettsia (tandah panah) yang mampu hidup dalam kultur sel eukariotik (Bray et al., 2009)

 

  1. Struktur Mitokondria

Mitokondria dapat dilihat menggunakan mikroskop elektron yang memberikan informasi yang lebih jelas dengan adanya mikrograf mitokondria. Ukuran mitkondria memiliki ukuran panjang sekitar 7 mikrometer dan diameter antara 0,5 – 1 mikrometer yang berbentuk seperti sosis. Mitokondria dibatasi oleh membran rangkap, membran luar dan membran dalam. Pada umumnya, semakin sedikit jumlah mitokondria dalam suatu sel, maka semakin besar ukuran organel mitokondria. Di antara membran luar dengan membran dalam terdapat ruangan sempit yang disebut ruang antar membran. Bagian dalam dari membran dalam berisi cairan yang disebut matriks mitokondria. Membran dalam terlipat-lipat membentuk lekukan ke arah matriks. Lekukan-lekukan ini disebut krista. Matriks, ruang antar selaput, membran luar dan membran dalam mengandung bermacam-macam enzim. Matriks mengandung sejumlah enzim yang diperlukan dalam siklus Krebs, garam dan air. Di dalam matriks juga terdapat DNA sirkuler dan ribosom (Bray et al., 2009).

Berbeda dengan organel sel lainnya, mitokondria memiliki materi genetik sendiri yang karakteristiknya berbeda dengan materi genetik di inti sel. DNA mitokondria, sesuai dengan namanya, merupakan rantai DNA yang terletak di bagian sel yang bernama mitokondria. DNA mitokondria memiliki ciri-ciri yang berbeda dari DNA nukleus ditinjau dari ukuran, jumlah gen, dan bentuk. DNA mitokondria terdapat dalam jumlah banyak (lebih dari 1000 kopi) dalam tiap sel, sedangkan DNA inti hanya berjumlah dua kopi. DNA inti merupakan hasil rekombinasi DNA kedua orang tua sementara DNA mitokondria hanya diwariskan dari ibu (maternally inherited) (Bolsover, Hyams, Shephard, White, & Wiedemann, 2004). Hal ini menyebabkan Mitokondria disebut sebagai organel warisan ibu¸dikarenakan hanya mitokondria dari ibu yang diwariskan pada anaknya

Gambar 4. Mitokondria dengan DNA pada Matriksnya

Membran luar dan membran dalam memiliki ketebalan yang berbeda. Memrbran luar memiliki ketebalan sekitar 6,0 nm, sedangkan memran dalam memiliki ketebalan sekitar 6-8 nm. Memran dalam memiliki permukaan yang lebih luas, karena berlipat-lipat dan menjorok ke dalam matriks membentuk tonjolan-tonjolan yang disebut krista. Krista memiliki jumlah dan bentuk yang bervariasi. Dengan beberapa perkecualian, kristae mitokondria pada sel hewan tingkat tinggi sebagian besar melintasi matriks. Biasanya kristae terletak sejajar satu dengan yang lain dan memotong sumbu memanjang mitokondria, tetapi dalam beberapa sel kristae membujur atau membentuk anyaman. Jumlah krista dapat bertambah atau berkurang tergantung pada derajat aktivitas aerobik (aktivitas yang memerlukan oksigen). Sel-sel pada jaringan aerobik akan menghasilkan sejumlah besar ATP, umumnya mengandung mitokondria dengan krista yang berkembang (Bray et al., 2009).


Gambar 5. Struktur organel mitokondria dan bagian-bagiannya (Bianchi & Sheeler, 2009)

Penyebaran mitokondria di dalam sitoplasma berhubungan erat dengan fungsi mitokondria sebagai penyuplai energi. Pada beberapa sel yang lain organel mitokondria tersebut tetap pada daerah yang lebih banyak membutuhkan energi, sebagai contoh dalam sel otot dan diafragma. Mitokondria berkumpul di sekitar daerah I (isotrop) pada miofibrilnya. Pada tubulus –tubulus renalis terdapat banyak mitokondria untuk memberikan energi dalam penyerapan air dan larutan yang masih diperlukan oleh sel (transpor aktif). Analisis secara biokimia memberikan hasil bahwa mitokondria merupakan pembangkit tenaga kimia untuk sel. Tenaga kimia yang diperoleh berupa ATP yang merupakan hasil oksidasi makanan terutama karbohidrat. Pada proses oksidasi tersebut, organel mitokondria menggunakan oksigen serta menghasilkan karbondioksida, oleh karena itu proses tersebut diberi nama respirasi selular. Tanpa mitokondria hewan, tumbuhan maupun fungi tidak akan mampu menggunakan oksigen untuk memperoleh tenaga yang maksimal dari makanan. Organisme yang menggunakan oksigen untuk pengubahan tenaga disebut organisme aerobik, sedangkan organisme yang tidak dapat hidup di lingkungan beroksigen disebut anaerobik (Karp, 2010).

Tiap krista dibentuk dengan melipatnya selaput dalam mitokondria. Kajian dengan teknik pengelupasan beku (freeze fracture) menunjukkan bahwa diantara kedua lapisan selaput tersebut hanya terdapat sedikit ruang atau sama sekali tidak ada ruangnya. Kedua lapisan tersebut nampak membentuk suatu struktur tunggal yang mengandung protein globular besar dengan diameter kira-kira 15 nm, dan sejumlah kecil lipid pada permukaan matriks. Sjostrand menyatakan bahwa tonjolan selaput krista melekat pada selaput dalam dengan adanya sebuah atau dua buah tangkai atau pedunkulus dan tidak timbul sebagai lipatan yang berbentuk papan. Bentuk susunan krista pada mitokondria bermacam-macam seperti tersusun secara paralel, tersusun seperti tumpukan koin dan tersusun seperti anyaman (Gambar 6).

 

Gambar 6. Berbagai susunan Krista pada mitokondria.

tersusun paralel; (b) tersusun seperti tumpukan koin; (c) tersusun anyaman

 

PERHATIKAN STRUKTUR MITOKONDRIA BERIKUT:

 

  1. Fungsi Mitokondria

Mitokondria merupakan organel sel yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya respirasi sel serta merupakan gudang energi sehingga mitokondria disebut the power house of cell. Cara kerja mitokondria yakni, enzim oksidatif yang terletak di membran dalam serta enzim siklus krebs yang di dalam matriks mitokondria berfungsi melakukan oksidasi residu asetil sehingga akan membentuk karbondioksida dan air. Energi lepas dari oksidasi tersebut digunakan untuk melakukan sintesis bahan yang memiliki energi sangat tinggi yaitu adenosin trifosfat (ATP). ATP tersebut akan dikeluarkan dari mitokondria ke dalam sitosol yang dipakai untuk berbagai aktivitas sel. Mengambil energi dari zat-zat gizi dalam makanan dan mengubahnya menjadi suatu bentuk yang dapat digunakan untuk menjalankan aktivitas sel. Sehingga mitokondria disebut juga dengan “organel energi” (Bianchi & Sheeler, 2009).

 

4.  Proses Pembentukan Energi oleh Mitokondria

Energi dari Mitokondria dibentuk dengan 4 tahap, yaitu:

1.   Glikolisis

Saat dalam sel, glukosa dipecah menjadi ATP melalui dua lintasan. Lintasan pertama tidak memerlukan oksigen dan disebut metabolisme anaerob. Lintasan ini disebut glikolisis dan terjadi dalam sitoplasma diluar mitokondria. Dalam proses glikolisis, glukosa mengalami beberapa tahap. Tahap pertama, glukosa mendapat tambahan satu gugus fosfat dari satu molekul ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, membentuk glukosa 6-fosfat. Setelah itu, glukosa 6-fosfat diubah oleh enzim menjadi isomernya, yaitu fruktosa 6-fosfat. Satu molekul ATP yang lain memberikan satu gugus fosfatnya kepada fruktosa 6-fosfat, yang membuat ATP tersebut menjadi ADP dan fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Kemudian, fruktosa 1,6-difosfat dipecah menjadi dua senyawa yang saling isomer satu sama lain, yaitu dihidroksi aseton fosfat dan PGAL (fosfogliseraldehid atau gliseraldehid 3-fosfat).

Selanjutnya, dihidroksi aseton fosfat dan PGAL masing-masing mengalami oksidasi dan mereduksi NAD+, sehingga terbentuk NADH, dan mengalami penambahan molekul fosfat anorganik (Pi) sehingga terbentuk 1,3-difosfogliserat. Kemudian masing-masing 1,3-difosfogliserat melepaskan satu gugus fosfatnya dan berubah menjadi 3-fosfogliserat, dimana gugus fosfat yang dilepas oleh masing-masing 1,3-difosfogliserat dipindahkan ke dua molekul ADP dan membentuk dua molekul ATP. Setelah itu, 3-fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi 2-fosfogliserat. Setelah menjadi 2-fosfogliserat, sebuah molekul air dari masing-masing 2-fosfogliserat dipisahkan, menghasilkan fosfoenolpiruvat. Terakhir, masing-masing fosfoenolpiruvat melepaskan gugus fosfat terakhirnya, yang kemudian diterima oleh dua molekul ADP untuk membentuk ATP, dan berubah menjadi asam piruvat (Bray et al., 2009).

2. Dekarboksilasi Oksidafif

Setelah melalui reaksi glikolisis, jika terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani tahapan reaksi selanjutnya, yaitu siklus Krebs yang bertempat di matriks mitokondria. Jika tidak terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani reaksi fermentasi. Akan tetapi, asam piruvat yang mandapat molekul oksigen yang cukup dan akan meneruskan tahapan reaksi tidak dapat begitu saja masuk ke dalam siklus Krebs, karena asam piruvat memiliki atom C terlalu banyak, yaitu 3 buah. Persyaratan molekul yang dapat menjalani siklus Krebs adalah molekul tersebut harus mempunyai dua atom C (2 C). Karena itu, asam piruvat akan menjalani reaksi dekarboksilasi oksidatif (Bray et al., 2009).

 

3. Siklus Krebs

Piruvat adalah molekul dengan 3 karbon. Setelah memasuki mitokondria, piruvat dipecah menjadi molekul dengan 2 karbon oleh enzim khusus. Reaksi ini melepaskan karbon dioksida. Molekul dengan 2 karbon disebut Acetyl CoA dan molekul ini memasuki siklus Kreb’s dengan cara bergabung dengan molekul 4 karbon yang disebut oxaloacetate. Ketika dua molekul ini bergabung , menghasilkan molekul 6 karbon yang disebut citric acid (2 karbon + 4 karbon = 6 karbon). Citric acid kemudian dipecah dan dimodifikasi, dan melepaskan ion hidrogen dan molekul karbon. Molekul karbon digunakan untuk membuat karbon dioksida dan ion hidrogen ditangkap oleh NAD dan FAD. Proses ini kembali menghasilkan oxaloacetate.

 

Gambar 9. Mekanisme Siklus Krebs (Campbell et al., 2008)

4. Transpor Elektron (Fosforilasi Oksidatif)

Rantai transport elektron adalah proses terakhir untuk mengahsilkan ATP, H2O yang terjadi di membran dalam/krista mitokondria. Secara molekuler, rantai transport electron merupakan kumpulan molekul protein yang tertanam pada membrane dalam mitokondria sel eukariotik, yang kemudian molekul protein ini yang akan membantu proses fosforilasi oksidatif (Campbell et al., 2008).

Gambar 10. Kompleks Protein Membran pada Mekanisme Posporilasi Oksidatif (Campbell et al., 2008)

 

Proses transpor elektron disebut juga dengan proses posforilasi oksidatif. Pada tahap ini, elektron yang dibawa oleh NADH ditransfer ke berbagai pembawa elektron supaya energinya bisa digunakan untuk memompa proton. Gradien proton yang dibuat oleh transpor elektron digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan ATP. Proses pemompaan proton untuk menghasilkan ATP juga disebut kemiosmosis.

 

Gambar 11. Mekanisme Posporilasi Oksidatif (Campbell et al., 2008)

 

Hasil akhir respirasi seluler:

Karena:

a. Perolehan ATP bervariasi, tergantung tipe wahana ulang-alik (shuttle) untuk mentransfer elektron dari sitosol ke mitokondria. 

    Membran-Dalam Mitokondria tidak permeabel terhadap NADH sehingga NADH dalam sitosol terpisah dari Fosforilasi Oksidatif (FO).

​​​​​​​b. Penggunaan gaya gerak proton untuk macam-macam kerja yg lain (38 jika semua gaya gerak proton dibangkitkan, 34 jika kurang efisien)

1. Glikolisis, hasil 2 ATP, 2 piruvat, 2 NADH, 2 H2O

2. Dekarboksilasi oksidatif, hasil 2 NADH, 2 CO2

3. Siklus Krebs, hasil 6 HADH, 2 FADH, 4 CO2, 2 ATP

4. Transpor elektron, hasil 34 ATP, H2O.

Gambar 13. Metabolisme dalam sel eukariotik: Glikolisis, siklus asam sitrat (siklus Krebs), dan fosforilasi oksidatif Glikolisis terjadi di sitoplasma. Siklus asam sitrat terjadi pada matriks mitokondria, dan fosforilasi oksidatif terjadi pada lipatan membran dalam mitokondria (krista) (Bolsover et al., 2004).

 

PERHATIKAN VIDEO RESPIRASI SEL BERIKUT:

 

5. Biogenesis (Pembentukan) Mitokondria

Pengamatan dengan mikroskop elektron dari jaringan hewan yang sedang tumbuh dan diambil dalam interval waktu yang teratur memperlihatkan adanya pembelahan mitokondria. Dikenal 3 mekanisme utama yang dapat digambarkan mengenai pembentukan mitokondria atau biogenesis mitokondria yaitu

1. Pembentukan "de novo"

2. Differensiasi yang berasal dari membran yang telah ada sebelumnya.

3. Pembelahan mitokondria yang telah terbentuk (Karp, 2010).

 

Mekanisme pertama dan kedua masih belum banyak ditemukan/diamati, namun mekanisme yang ketiga sudah sangat sering terbukti dan diamati. Mitokondria yang mengalami pembelahan menjadi mitokondria yang berukuran kecil selanjutnya mengikuti fase pertumbuhan untuk mencapai ukuran yang umum.

  • Fisi dan Fusi dipengaruhi kondisi metabolik & patogenik dalam mitokondria
  • Fisi dan Fusi penting untuk pertumbuhan, re-distribusi mt, dan menjaga network mitokondria
  • Berhubungan dengan apoptosis dan mitofagi

Protein Dynamin à berperan dalam fusi dan fisi, fungsinya  mengontrol Protein Adaptor yg berbeda2 pada permukaan mitokondria (Karp, 2010).

Gambar 14. Proses Fisi dan Fusi pada pembentukan mitokondria (Karp, 2010)

 

REFERENSI

Bianchi, D. E., & Sheeler, P. (2009). Cell and Molecular Biology (Third Edit).

Bolsover, S. R., Hyams, J. S., Shephard, E. A., White, H. A., & Wiedemann, C. G. (2004). Cell Biology: A Short Course (Second Edi). Canada: JohnWiley & Sons, Inc.

Bray, A., Johnson, H., Raff, L., & Walter, R. (2009). Essential Cell Biology (3rd Editio). Retrieved from http://www.garlandscience.com

Campbell, N. A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V, & Jackson, R. B. (2008). Biology (Eight Edit). Person Benjamin Cummings.

Karp, G. (2010). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments (7th Editio). USA: Wiley.