Struktur dan Fungsi Organel Mitokondria, Penjelasan LENGKAP

Apa yang dimaksud dengan organel mitokondria? Berdasarkan observasi dengan menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa mitokondria adalah organela yang memiliki membran rangkap, yang disebut membran luar dan membran dalam. Di antara membran luar dan membran dalam terdapat ruangan sempit berisi cairan encer yang di dalamnya terdapat beberapa enzim. Ruangan ini disebut ruang antar membran. Lumen mitokondria beserta isinya yang berupa cairan kental yang disebut matriks. Matriks adalah lumen mitokondria berisi enzim-enzim daur Kreb, garam-garam, dan air. DNA berbentuk melingkar dan ribosoma terdapat pula di dalam matriks.

Fungsi dan struktur membran dalam dan membran luar berbeda. Membran dalam lebih tebal daripada membran luar. Membran luar memiliki sejumlah protein pengangkut yang disebut porin, yang membentuk celah akuosa di antara dwi lapis fosfolipid. Akibatnya, membran ini mirip penapis yang permeabel untuk semua molekul yang berberat molekul (BM), 10.000 dalton. Molekul-molekul tersebut dapat sampai ke ruang antar membran, namun tidak dapat melewati membran dalam. Berikut adalah makalah tentang mitokondria yang dujelaskan dalam masing-masing bahasan.

Defisini mitokondria berdasarkan pengamatan dengan mikroskop elektron menunjukkan bentuk mitokondria mirip sosis dengan ukuran panjang sekitar 7 mikrometer dan diameter antara 0,5 – 1 mikrometer. Pada mikrograf elektron terlihat bahwa mitokondria memiliki membran rangkap. 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. Cairan yang berada di mitokondria disebut matriks mitokondria. Membran dalam terlipat-lipat membentuk lekukan ke arah matriks. Lekukan-lekukan ini disebut krista. Bagian-bagian mitokondria dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur organel mitokondria dan bagian-bagiannya.

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.

Keistimewaan lain mitokondria adalah memiliki DNA, dan dapat memperbanyak diri dengan jalan membelah. Mengingat bahwa mitokondria memiliki banyak persamaan dengan bakteri, banyak ahli mengatakan mitokondria berasal dari bakteria yang ditelan oleh tetua sel eukaryota yang ada sekarang.

Sejumlah inklusi juga ditemukan di dalam matriks mitokondria dari berbagai macam sel. Ruang antar selaput mengandung bermacam-macam enzim, namun biasanya tidak terdapat inklusi yang berbentuk zarah. Antara selaput luar dan selaput dalam terdapat perbedaan nyata dalam permeabilitas. Selaput luar bersifat permeabel bagi sebagian besar bahan yang memiliki berat molekul sampai dengan 5.000 dalton. Jika cairan yang berasal dari ruang antar selaput diisolasi, maka cairan tersebut akan nampak seperti komponen sitosol yang memiliki berat molekul yang kecil serta larut dalam air. Selaput dalam mempunyai permeabilitas terbatas terutama terhadap bahan-bahan yang mempunyai berat molekul diatas 100-150 dalton. Perbedaan dalam permeabilitas antara kedua selaput dapat digunakan untuk memisahkan selaput luar dari selaput dalam.

Selaput dalam dan selaput luar berbeda dalam struktur dan fungsinya. Walaupun pengukuran yang akurat terhadap tebal selaput-selaput tersebut sangat sulit, karena berbagai fiksatif menyebabkan pembengkakan yang berbeda-beda, selaput dalam kelihatan memiliki ketebalan yang lebih besar (6,0 – 8,0 nm) daripada selaput yang ada di luar (kira-kira 6,0 nm). Selaput dalam mempunyai area permukaan yang lebih luas karena terlipat-lipat dan masuk ke dalam matriks. Tonjolan-tonjolan ini disebut krista dan bervariasi dalam hal jumlah dan bentuknya. 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. 

Pada Protozoa dan banyak tumbuhan, krista memiliki bentuk suatu perangkat buluh-buluh yang menuju ke arah matriks dari segala arah, bahkan kadang-kadang teranyam dalam berbagai arah. Jumlah krista dapat bertambah atau berkurang, tergantung pada derajat aktivitas aerob. Sel-sel pada jaringan aerob yang menghasilkan sejumlah besar ATP, umumnya mengandung mitokondria dengan krista yang berkembang.

Tiap krista dibentuk dengan melipatnya selaput dalam  mitokondria. Kajian dengan teknik pengelupasan beku 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 (Gambar 2).

Matriks mitokondria mengandung beberapa struktur yang jelas adalah granula intramitokondria atau granula osmiofilik, yang berupa partikel-pertikel bulat dengan diameter 25-35 nm. Fungsinya sebagai tempat meyimpan molekul lipid. Disamping itu kadang-kadang terdapat juga kristal protein yang besar, granula kuning telur (yolk) dan cadangan glikogen.

Gambar 2. Berbagai susunan Krista pada mitokondria.  (a) tersusun paralel; (b) tersusun seperti tumpukan koin; (c) tersusun anyaman

.

Secara kimiawi membran luar dan membran dalam berbeda secara kualitatif dan kuantitatif satu sama lain serta berbeda pula dengan selaput sitoplasma yang lain. Membran dalam lebih kaya akan protein daripada membran luar, sedangkan protein itu sendiri terletak lebih dalam pada membran. Membran luar mengandung dua sampai tiga kali lebih banyak fosfolipid daripada membran dalam, dan mengandung sebagian besar kolesterol membran. Di lain pihak membran dalam kaya akan kardiolipin. 

Kebanyakan protein pada selaput mitokondria adalah enzim yang mengkatalisis reaksi kimia yang berhubungan dengan respirasi. Pada selaput dalam melekat banyak zarah berbentuk bulat dengan diameter 8,0-9,0 nm, disebut bola-bola selaput dalam, pertama kali diuraikan oleh Fernandez-Moran dalam tahun 1962. Bola-bola ini diidentifikasi sebagai tempat utama proses fosforilasi oksidatif dan transpor elektron, disebut oksisoma.

Komponen utama berat kering dari organel sel mitokondria yajni berupa protein. Kandungan protein tersebut meimiliki kaitan dengan jumlah membran dalam yang banyak memiliki protein enzimatis dan struktural terdapat pada pada bagian membran dalam. Pada beberapa mitokondria, membran dalam mengandung 60% protein total organel. Berdasarkan penyebaran enzim pada mitokondria Tikus, terlihat bahwa membran dalam mengandung 21,3 % protein total dan membran luar 4 % protein total mitokondria. Menurut perhitungan ini, 67 % protein terdapat di matriks dan sisanya terdapat dalam ruang antar membran. Protein pada mitokondria dikelompokkan menjadi dua bentuk, yakni protein yang larut dan protein tidak larut. Protein yang larut terutama memiliki enzim matriks serta beberapa protein perifer atau ekstrinsik pada membran. Protein tidak larut pada umumnya penyusun bagian integral membran. Sebagian besar merupakan protein struktural dan sebagian lagi merupakan protein enzim lainnya.

Berbagai macam enzim terdapat di dalam mitokondria dengan lokasi tertentu. Antara lain

1. Selaput luar. Terdapat enzim monoamin oksidase, tiokinese asam lemak, kinurenin hidroksilase, sitokrom c reduktase yang rotenon-insensitif. 
2. Ruang antar membran. Terdapat enzim adenilat kinase, nukleosida difosfokinase. 
3. Selaput dalam. Terdapat enzim-enzim rantai respirasi, enzim pada sintesis ATP, dehidrogenase suksinat, dehidrogenase asam-keto, dehidrogenase D-ß-hidroksi butirat, transferase asam lemak karnitin. 
4. Matriks. Terdapat enzim kompleks seperti dehidrogenase piruvat, dehidrogenase isositrat, sintetase sitrat, fumarase, dehidrogenase malat, akonitase,dehidrogenase glutamat dan enzim-enzim oksidasi asam lemak. 

Kurang lebih 120 macam enzim yang berhubungan dengan mitokondria telah diidentifikasi (Gambar 3). Sekitar 37% adalah jenis enzim Oksidoreduktase; 10 % adalah Ligase; dan kurang dari 9 % adalah Hidrolase. Beberapa macam enzim juga terdapat pada membran luar, yakni monoaminoksidase yang merupakan enzim penanda membran luar.

Membran dalam lebih kompleks daripada membran luar. Suksinat dehidrogenase adalah enzim penanda membran dalam. Enzim-enzim transpor elektron dan fosforilasi oksidatif secara eksklusif terasosiasi dengan membran dalam. Matriks mengandung enzim yang berperan dalam daur asam sitrat atau siklus krebs serta enzim yang terlibat dalam proses sintesis protein, asam nukleat serta asam lemak. Semua jenis enzim siklus krebs berada bebas di dalam matriks kecuali enzim suksinat dehidrogenase, yang merupakan komponen membran dalam. Jadi agar pruvat dapat teroksidasi secara sempurna oleh enzim manjadi karbondioksida dan air, suksinat harus mengadakan kontak dengan membran dalam sebelum dioksidasi menjadi fumarat. 

Gambar 3. Kompleks enzim yang terdapat dalam organel mitokondria.

Mitokondria dapat melakukan sintesis protein sendiri karena memiliki DNA sendiri yang disebut dengan mtDNA. Ciri-ciri mtDNA adalah berpilin ganda, sirkular, dan tidak dilindungi oleh membran. Ciri mtDNA mitokondria yang terdapat di dalam sitoplasma sel eukariot yakni mtDNA memiliki persamaan dengan ciri seperti DNA pada bakteri, sehingga berkembang teori bahwa mitokondria dulunya merupakan organisme independen yang kemudian bersimbiosis dengan organisme eukariotik. 

Matriks mitokondria juga mengandung ribosom dan mtDNA. Molekul mtDNA bentuknya kecil dan melingkar, tidak banyak bersenyawa dengan protein, sementara ribosomnya memiliki karakter yang sama dengan yang terdapat pada bakteri. Kemiripan mtDNA dan ribosom mitokondria dengan sel prokariotik menimbulkan teori bahwa dalam perkembangan evolusinya mitokondria merupakan keturunan bakteri yang pada awalnya hidup bebas yang kemudian masuk ke dalam sel eukariotik dan menetap disitu sebagai endosimbion. Sistem kode yang masih ada pada mtDNA mitokondria hanya berfungsi untuk menghasilkan beberapa enzim dan protein yang terdapat di dalam organela tersebut.

mtDNA terdapat dalam memilki bentuk sirkuler yakni dalam bentuk untaian ganda yang identik di dalam matriks mitokondria. Satu organel mitokondria pada umumnya  memiliki 2-6 cetakan mtDNA, sehingga jumlah setiap sel jumlahny mencapai 108 atau bergantung pada jumlah mitokondria dalma jumlah sel tertentu.

Peranan mtDNA yang ada dalam organel sel mitokondria sama dengan peranan DNA inti pada sel eukariot, yakni bisa menghasilkan rRNA, tRNA, dan mRNA. Sistem genetika pada mitokondria masih bergantung kepada sistem genetika pada inti sel.  

F. Asal Usul Mitokondria

Mitokondria diperkirakan muncul sekitar lebih dari satu juta tahun yang lalu yang berkerabat dekat dengan aproteobakteri, kemudian masuk ke dalam sebuah sel eukariot. Endosimbiosis ini saling menguntungkan kedua belah pihak yakni bakteri dan sel eukariotik. Proses simbiosis tersebut terus berlanjut dan hingga saat ini mitokondria merupakan organel yang sangat penting bagi sel eukariot. Organisme endosimbion tersebut adalah Rickettsia yang memiliki persamaan dengan mitokondria dalam hal struktur maupun komponen enzim (Gambar 4). Rickettsia adalah salah satu genus bakteri gram negatif yang selain itu juga mampu melakukan simbiosis dengan kultur sel eukariotik (Gambar 5). Dengan demikian dapat diduga bahwa Rickettsia merupakan asal muasal dari mitokondria.

Gambar 4. Persamaan metabolisme piruvat pada mitokondria eukariotik dan Rickettsia

Gambar 5. Rickettsia (tandah panah) yang mampu hidup dalam kultur sel eukariotik

G. Mitokondriogenesis

Mitokondria memiliki sifat untuk memperbanyak diri. Peristiwa ini disebut dengan mitokondriogenesis. Proses pembentukan mitokondria terdiri dari dua tahap, yakni tahap pertumbuhan dan reproduksi individu. Proses diferensiasi organela tersebut menjadi suatu kompartemen yang aktif melaksanakan fosforilasi oksidatif.

Pertumbuhan mitokondria pada Neurospora crassa terjadi dengan cara penambahan komponen-komponen pada struktur tua yang dapat mengakibatkan satu mitokondria membelah menjadi dua. Proses ini diawali dengan pemanjangan mitokondria, selanjutnya satu atau lebih krista yang letaknya di tengah membentuk ruangan dengan cara tumbuh memotong matriks dan melebur dengan membran dalam di depannya. Sebagai akibatnya matriks tersebut terpisah menjadi dua kompartemen.membran luar selanjutnya mengalami invaginasi pada bidang pemisah yang kemudian dilanjutkan dengan kontriksi yang mengakibatkan peleburan antara kedua membran dalam. Pada akhirnya terbentuklah dua mitokondria.

Referensi:

1. Alberts, B., et al. 2007. Molecular Biology of The Cell.
2. Budiono, Joko. 2007. Mitokondria dan Kloroplas. 
3. Juwono dan Achmad Zulfa Juniarto. 2000. Biologi Sel. 
4. Page, R.D.M. dan E.C.Holmes 1998. Molecular Evolution. A Phylogenetic Approach.
5. S. M Issoegianti. 2007. Biologi Sel.