Mitokondria

Sel adalah unit struktural dan fungsional pengusun tubuh Mahluk Hidup. Mahluk hidup seluler baik yang bersel tunggal (unicellular) maupun yang bersel banyak (multicellular) berdasarkan pada beberapa sifatnya, antara lain ada tidaknya system endomembran, dikelompokkan dalam dua tipe sel, yaitu sel prokariotik dan sel eukariotik. Di dalam sel terdapat organel- organel sel yang memiliki fungsi masing- masing, dimana setiap organel- organel sel ini saling berhubungan satu dengan yang lainnya untuk membentuk suatu system. Organel sel yang ada yaitu Retikulum Endoplasma (Reticulum Endoplasmic), apparatus golgi, lisosom, ribosom, mitokondria, sentrosom (pada Hewan), plastida (pada tumbuhan).

mitokondria adalah organel yang hanya dimiliki oleh sel eukariotik dimana mitokondria ini memiliki fungsi sebagai organ respirasi yang kemudian menghasilkan energi seluler dalam bentuk ATP (Adenosin Triposphat), energi inilah yang kita gunakan untuk kelangsungan kehidupan kita. Pembentukan ATP ini tidak sepraktis yang kita bayangkan, namun mitokondria memakai oksigen, gula, lemak, protein yang telah di uraikan dan melalui proses- proses yang terjadi di dalam mitokondria dan inilah yang dikenal sebagai proses respirasi sel. Jadi dengan kata pengandaiannya yang sebenarnya melakukan proses respirasi atau bernafas adalah mitokondria. 

Mitokondria, kondriosom (bahasa Inggris: chondriosome, mitochondrion, plural:mitochondria) adalah organel tempat berlangsungnya fungsi respirasi sel makhluk hidup, selain fungsi selular lain, seperti metabolisme asam lemak, biosintesis pirimidin, homeostasis kalsium, transduksi sinyal selular dan penghasil energi berupa adenosina trifosfat pada lintasan katabolisme.

  

1.      Sejarah penemuan mitokondria

Mitokondria pertama kali diamati dan diisolasi dari sel pada tahun 1850 oleh Kollicker melalui pengamatannya pada jaringan otot lurik serangga. Ia menemukan adanya granula-granula dengan struktur yang bebas dan tidak berhubungan secara langsung dengan struktur internal sel.  Dari penemuan ini maka banyak ahli yang terusmeneliti atau mencari tau tentang hal ini, sehingga  Pada tahun 1900, Michaelis menunjukkan bahwa di dalam mitokondria berlangsung reaksi-reaksi oksidatif. Pada tahun 1911, Warburg menemukan bahwa mitokondria mengandung enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi oksidatif sel. Pada tahun 1911, Kingsbury mendukung bahwa mitokondria merupakan tempat spesifik untuk reaksi-reaksi oksidasi. Pada tahun 1930, Sir Hans Krebs menjelaskan beberapa reaksi siklus asam trikarboksilat atau daur Krebs. Dari tahun 1950, Lehninger, Green, Kennedy, dan Hogeboom dan lain-lain menunjukkan secara jelas reaksi-reaksi seperti oksidasi asam lemak, fosforilasi oksidatif serta sifat-sifat lain mitokondria (Sheeler dan Bianchii, 1983).

2.      Struktur Mitokondria

Gambar. Struktur umum mitokondria

Struktur mitokondria terdiri dari : membran luar, membran dalam, ruang antar membran, dan matriks yang terletak di bagian dalam membran, ribosom, krista, oksisom, inklusi, dan DNA mitokondria.

Mitokondria banyak terdapat pada sel yang memilki aktivitas metabolisme tinggi dan memerlukan banyak ATP dalam jumlah banyak, misalnya sel otot jantung. Jumlah dan bentuk mitokondria bisa berbeda-beda untuk setiap sel. Mitokondria berbentuk elips dengan diameter 0,5 µm dan panjang 0,5 – 1,0 µm. Struktur mitokondria terdiri dari : membran luar, membran dalam, ruang antar membran, dan matriks yang terletak di bagian dalam membran, ribosom, krista, oksisom, inklusi, dan DNA mitokondria.

a. Ribosom

Organel sel yang dibangun dalam nucleolus berfungsi sebagai tempat sintesis protein dalam sitoplasma terdiri dari rRNA dan molekul protein, yang membentuk 2 subunit.

b. Membran Luar

Membran luar terdiri dari protein dan lipid dengan perbandingan yang sama serta mengandung protein porin yang menyebabkan membran ini bersifat permeabel terhadap molekul-molekul kecil yang berukuran 6000 Dalton. Dalam hal ini, membran luar mitokondria menyerupai membran luar bakteri gram-negatif. Selain itu, membran luar juga mengandung enzim yang terlibat dalam biosintesis lipid dan enzim yang berperan dalam proses transpor lipid ke matriks untuk menjalani β-oksidasi menghasilkan Asetil KoA.

c. Membran Dalam

Membran dalam merupakan bagian yang kurang permeabel dibandingkan membran luar terdiri dari 20% lipid dan 80% protein. Membran ini merupakan tempat utama pembentukan ATP. Membran dalam mengandung protein yang terlibat dalam reaksi fosforilasi oksidatif, ATP sintase yang berfungsi membentuk ATP pada matriks mitokondria, serta protein transpor yang mengatur keluar masuknya metabolit dari matriks melewati membran dalam.

d. Krista

Pelipatan membran dalam mitokondria yang merupakan tempat rantai transpor elektron dan enzim-enzim yang mengkatalisis sintesis ATP. Stuktur krista ini meningkatkan luas permukaan membran dalam sehingga meningkatkan kemampuannya dalam memproduksi ATP. Sepanjang krista terdapat protein sitokrom yang berperan sebagai oksidator dan reduktor berantai sehingga membebaskan energi secara gradual untuk membentuk ATP.

e. Ruang Antar Membran

Ruang antar membran terletak diantara membran luar dan membran dalam merupakan tempat berlangsungnya reaksi-reaksi yang penting bagi sel, seperti siklus Krebs, reaksi oksidasi asam amino, dan reaksi β-oksidasi asam lemak.

f. Matriks

Matriks mitokondria berisi cairan seperti gel yang diliputi selaput dalam mengandung sejumlah enzim siklus krebs, garam dan air. Di dalam matriks juga terdapat materi genetik, yang dikenal dengan DNA mitkondria (mtDNA), ribosom, ATP, ADP, fosfat inorganik serta ion-ion seperti magnesium, kalsium dan kalium.

g. DNA mitokondria

DNA mitokondria memiliki ciri-ciri yang berbeda dari DNA nukleus ditinjau dari ukuran, jumlah gen, dan bentuk. Di antaranya adalah memiliki laju mutasi yang lebih tinggi, yaitu sekitar 10-17 kali DNA inti. Selain itu 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).
Besar genom pada DNA mitokondria relatif kecil apabila dibandingkan dengan genom DNA pada nukleus. Ukuran genom DNA mitokondria pada tiap tiap organisme sangatlah bervariasi. Tidak seperti DNA nukleus yang berbentuk linear, mtDNa berbentuk lingkaran. Sebagian besar mtDNA membawa gene yang berfungsi dalam proses respirasi sel.

3.      Proses Sintesis Energi (Fungsi Mitokondria)

Fungsi utama mitokondria adalah memproduksi energi kimia dalam bentuk ATP yang akan dipergunakan untuk aktivitas seluruh sel-sel tubuh manusia. Secara garis besar, reaksi pembentukan ATP yang berlangsung di mitokondria dapat dibagi menjadi 3 tahap:

a.       Reaksi oksidasi piruvat (atau asam lemak) menjadi CO2. Reaksi ini terkait  dengan reduksi NAD+ dan FAD menjadi NADH dan FADH2. Reaksi-reaksi ini berlangsung dalam ruang matriks mitokondria.

b.      Transfer elektron dari NADH dan FADH2 ke O2.

Rentetan reaksi ini  berlangsung pada membran dalam dan terkait dengan pembentukan proton motive force atau gradien elektrokimia lintas membran dalam mitokondria.

c.       Pemanfaatan energi yang tersimpan dalam bentuk gradien elektrokimia untuk memproduksi ATP. Reaksi ini dikatalisis oleh kompleks enzim F0-F1 ATP sintetase yang berlokasi pada membran dalam. 

 

Gambar. Pembentukan Energi (ATP)

·          Fermentasi

Pada pristiwa glikolisis, glukosa secara bertahap diubah menjadi asam piruvat. Asam piruvat selanjutnya dapat diubah menjadi sejumlah produk, tergantung pada kondisi metabolisme sel secara umum. Misalnya asam piruvat diubah menjadi asetil KoA untuk memasuki daur asam sitrat dalam kondisi aerob atau dikonversi menjadi etanol atau asam laktat dalam kondisi anaerob.

·         Dekarbosilasi Oksidatif Piruvat

Asam piruvat sebagai senyawa produk akhir glikolisis akan mengalami reaksi dekarboksilasi oksidatif apabila cukup oksigen dan menghasilkan asetil-KoA. Proses ini berlangsung di dalam matriks mitokondria. Proses ini merupakan penghubung antara glikolisis dengan siklus asam trikarboksilat. Reaksi-reaksi dekarboksilasi oksidatif piruvat berlangsung dengan bantuan enzim kompleks, yaitu kompleks piruvat dehidrogenase. Kompleks enzim ini terdiri atas tiga macam enzim yang tersusun secara terpadu.

·         Siklus Krebs

Terdapat hubungan yang erat diantara organisasi struktur mitokondria dengan beberapa fungsi-fungsi metabolisme yang spesifik. Dewasa ini, lokasi berbagai jenis enzim di dalam mitokondria telah diketahui dan secara umum terdapat keterkaitan fungsional antara membran luar, membrane dalam, ruang intermembran, dan matriks.

Sejumlah hasil telaah yang mendalam telah dipelajari di dalam mitokondria antara lain oksidasi substrat, rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif. Hasil-hasil reaksi metabolisme yang berlangsung di dalam sitosol seperti pembentukan piruvat selama glikolisis memasuki mitokondria untuk dioksidasi di dalam daur krebs. Enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi tersebut terletak di dalam matriks atau pada permukaan membran dalam yang menghadap matriks kecuali suksinat dehidrogenase. Hasil akhir dari oksidasi yang berlangsung di dalam daur krebs adalah CO2, dan air. Selain itu dihasilkan sejumlah komponen-komponen tertentu seperti NADH yang berpartisipasi di dalam rantai respirasi atau rantai transport elektron dan secara khusus berhubungan dengan membrane dalam mitokondria. Hasil dari reaksi-reaksi yang berlangsung selama rantai respirasi adalah reduksi O2 untuk membentuk H2O. Selain itu selama berlangsungnya rantai respirasi juga berlangsung fosforilasi oksidatif yang mengubah ADP menjadi ATP.

·         Transpor Elektron Dan Fosforilasi Oksidatif

Pada tahap glikolisis metabolisme asam piruvat dan siklus Krebs, terjadi 5 kali reaksi dehidrogenase substrat dengan mereduksi NAD+ menjadi NADH dan satu kali reaksi dehidrogenase terjadi dengan mereduksi FAD menjadi FADH.

Setiap NADH2 dalam transpor elektron akan diproduksi 3 molekul ATP, sedang untuk setiap molekul FADH2 hanya diproduksi 2 molekul ATP karena FADH2 masuk ke dalam sistem angkutan setelah NADH2.

4.      DNA Mitokondria

Mitokondria memiliki perangkat genetik sendiri yang disebut DNA mitokondria (mtDNA), terletak pada matriks semi cair di bagian paling dalam mitokondria. Satu mitokondria dapat mengandung puluhan mtDNA. Sistem genetik  mitokondria mirip dengan bakteri, berupa molekul sirkuler yang tahan eksonuklease.

Berbeda dengan DNA inti yang diturunkan dari kedua orang tua, mtDNA hanya diwariskan secara maternal atau dari ibu . Keseluruhan mitokondria anak diturunkan dari ibu karena hanya sel telur yang membawa mitokondria  saat melebur dengan sperma. Sel telur memiliki 100.000 mitokondria, sedangkan sperma hanya 50-100 di ekor sperma.

Ekor sperma merupakan alat gerak yang membutuhkan energi tinggi dari mitokondria. Pada proses masuknya sel  sperma ke sel telur, ekor sperma akan terlepas sehingga mitokondria tidak ikut masuk. Beberapa mitokondria ayah yang  mungkin masuk dalam sel telur akan diencerkan selama proses mitosis sehingga sangat tidak berarti jumlahnya atau  dianggap sebagai benda asing sehingga dihancurkan sistem sel.

Ketiadaan mitokondria ayah pada keturunannya mempermudah analisis penurunan mtDNA. Genom mitokondria  diturunkan selama ratusan ribu tahun tanpa ada persilangan dengan genom mtDNA ayah. Dengan demikian, mutasi yang  diwariskan dapat dilacak pada satu garis keturunan maternal. Karakteristik ini memungkinkan mtDNA sebagai alat untuk mengetahui hubungan maternal antar individu, mempelajari antropologi, serta biologi evolusi berbagai makhluk hidup

Gambar DNA Mitokondria

·        Keunggulan mtDNA

Selain DNA inti, DNA mitokondria (mtDNA) telah digunakan dalam bidang forensik dan menjadi barang bukti di pengadilan  Amerika dan Eropa. Kelebihan utama penggunaan mtDNA adalah jumlah molekulnya yang mencapai ribuan dalam satu  sel  sehingga memungkinkan dilakukan analisis dari sampel yang sangat sedikit, misalnya cairan tubuh,  akar atau batang rambut bahkan tulang dan fosil tulang.

·        Kelemahan penggunaan mtDNA

Kelemahan penggunaan mtDNA adalah kemungkinan menemukan kesamaan antar individu yang relatif tinggi, terutama  individu yang terkait hubungan keluarga segaris ibu. Kelemahan ini jadi menguntungkan bila yang dilakukan adalah  perunutan hubungan keluarga.