RESPIRSI SELULER

BAB I
PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

     Didalam tubuh manusia dan kebudayaan hewan, energi kimia yang tersimpan dalam makan tidak dapat digunakan secara langsung, kecuali setelah dioksidasi terlebih dahulu. Dalam hal ini, sel-sel tubuh memerlukan oksigen untuk mengoksidasi (membakar) bahan makanan sehingga menghasilkan sejumlah energi. Proses menghasilkan energi melalui oksidasi bahan makanan didalam sel-sel tubuh demikian dikenal dengan istilah
Respirasi sel

A.        Sistem Respirasi Manusia

   Proses Respirasi merupakan salah satu proses yang sangat vital dalam kehidupan manusia. Respirasi ini meliputi beberapa hal berikut:

1. Bernapas: meliputi inpirasi (masuknya udara kedalam paru-paru) dan ekspirasi (keluarnya udara dari paru-paru)
2. Respirasi eksternal: pertukaran gas (O2  x CO2 ) antara udara dengan daerah didalam paru-paru
3. Respirasi internal: pertukaran gas antara darah dengan cairan  jaringan tubuh
4. Respirasi sel: produksi ATP didalam sel

     Selama respirasi, udara dari lingkunga tidak langsung masuk (berfungsi) melalui permukaan kulit kedalam tubuh. Akan tetapi, udeara tersebut masuk kedalam tubuh melalui saluran respirasi. Pada hakekatnya, saluran sistem pernapasan pada manusia mencakup dua hal, yakni saluran pernapasan dan mekanisme pernapasan.

Senyawa organik seperti glukosa menyimpan energi pada pengaturan mereka di atom. Molekul ini dipecah dan daya mereka diekstrak di pernapasan selular (katabolisme ang paling umum dan jalan paling efisien untuk menghasilan ATP, dimana oksigen dikonsumsi sebagai satu komponen reaktan seiring dengan bahan bakar organik). Langkah pertama dari pernapasan selular terjadi pada sitosol (Bagian cairan pada sitoplasma), Langkah kedua dan langkah ketiga terjadi di mitokondria. Di pernapasan selular, elektron dikirim dari glukosa ke koenzim seperti NAD + dan akhirnya ke oksigen; daya yang dilepaskan oleh penampungan ini dari elektron biasanya membuat ATP  . Dioksida karbon dan air diberikan sebagai hasil sampingan.
Hampir semua ATP  dihasilkan oleh pernapasan selular rangkai angkut elektron dan oxidative phosphorylation . NADH dan FADH 2 molekul dihasilkan pada glikolisis dan siklus Krebs dimana elektron mereka ke rangkai angkut elektron. Pada akhir dari rangkai, oksigen menggunakan satu kuat memakai elektron, dan kombinasikan dengan mereka dan ion hidrogen (proton) untuk membentuk air. Rangkai angkut elektron energi kimia konversi dengan elektron berpindah kepada suatu format yang biasanya memandu oxidative phosphorylation, hasilkan yang sekitar 34 molekul ATP untuk masing-masing molekul glukosa dikonsumsi.

B.         Tujuan

Tujuan dari penulisan makalah ini adalah yang pertama untuk memenuhi tugas mata kuliah biologi untuk di presentasikan di kelas, yang berikut untuk mengetahui tentang proses respirasi seluler di dalam tubuh, serta untuk mendapatkan penilaian pada mata kuliah biologi.

BAB II

PEMBAHASAN

Metabolisme Sel

Metabolisme sel berarti membicarakan perubahan energi, dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Secara definisi energi adalah kapasitas untuk melakukan kerja atau kemampuan untuk melakukan kerja.

Ada bentuk energi yang berbeda yaitu energi kinetik dan energi potensial.

· Energi kinetik adalah energi pergerakan, panas adalah energi kinetik yang berhubungan dengan perpindahan pergerakan molekul secara random.

· Energi potensial adalah kapasitas tersimpan untuk melakukan kerja, contohnya energi tersimpan dalam susunan atom atau suatu molekul (energi kimia).

Satuan energi adalah Joule. Satu Joule = 0,24 gram kalori (0,00024 Kcal). Pengaturan konversi atau pemindahan energi mengikuti hukum termodinamika. Termodinamika adalah studi mengenai transformasi energi yang terjadi pada materi.

Hukum Termodinamika

Hukum Termodinamika I:

Jumlah energi di alam raya adalah konstan, energi tersebut dapat dipindahkan atau diubah tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Hukum Termodinamika II:

Setiap perubahan energi menghasilkan diorder atau entropi. Entropi adalah jumlah diorder (ketidakurutan) dalam suatu sistem.

·  Disorder adalah keacakan  atau ketidakurutan atau ketidakteraturan atau random.

·  Dengan kata lain hukum termodinamika kedua mengatakan kepada kita bahwa entropi jagad raya meningkat; setiap perubahan atau pemindahan energi meningkatkan entropi jagad raya.

·  Secara tersirat bahwa implikasi dari hukum termodinamika kedua ini adalah apabila suatu sistem menjadi lebih baik, teratur atau tersusun, maka lingkungan di sekitar sistem tersebut menjadi disorder (tidak teratur).

· konsep tersebut memiliki aplikasi langsung pada aktivitas sel.Sebuah sel menghasilkan struktur teratur berasal dari materi yang mulanya tidak teratur.

· Hukum kedua termodinamika tersebut menyebabkan transformasi engergi yang dilakukan sel tidak dapat menghasilkan efisiensi 100%.

Hubungan energi dengan mahluk hidup memiliki arti pembahasan mengenai reaksi kimia yang terjadi dalam sel. Ada dua reaksi yaitu

1.  reaksi endergonik yaitu reaksi yang membutuhkan input atau pemasukan energi atau endergonik berarti energi masuk

2.  reaksi eksergonik yaitu reaksi kimia yang melepaskan energi atau eksergonik berarti energi keluar

Molekul ATP (adenosin trifosfat) adalah molekul ulang-aling yang membawa energi kimia dalam sel. ATP merupakan molekul yang hampir semuanya menyebabkan kerja seluler, baik untuk munculnya sinar dari kunang-kunang hingga pergerakan sel otot sehingga kita bisa mengayuh sepeda.

ATP adalah molekul yang memiliki 3 bagian yaitu basa adenin, gula ribosa, dan tiga gugus fosfat yang diikatkan dengan ikatan kovalen. Ikatan kovalen antar gugus fosfat kedua dan ketiga tidak stabil, sehingga kita akan mendapatkan pelepasan gugus fosfat, yang berarti hidrolis ATP menjadi ADP. Perpindahan gugus fosfat ke suatu molekul disebut fosforilasi. ATO adalah sumberdaya dalam sel yang dapat diperbaharui dan itu sebabnya dikenal siklus ATP.

Enzim

Untuk dapat memahami arah reaksi dan jalur metabolisme, keduanya melibatkan apa yang disebut enzim, yaitu protein dalam tubuh yang berfungsi sebagai katalis biologi.

Katalis adalah suatu molekul kimiawi yang dapat mempercepat proses reaksi tetapi dirinya (molekul bersangkutan) tidak ikut bereaksi atau digunakan. Jadi enzim dapat mempercepat reaksi kimia dalam sel dengan cara menurunkan hambatan energi. Hambatan energi = energi aktivasi = jumlah energi yang dibutuhkan untuk reaksi eksergonik.

Enzim tertentu akan mengkatalisis reaksi seluler tertentu.

Cara kerja enzim adalah sisi aktif enzim mengikat substrat dan kemudian mengubah substrat menjadi hasil, akibatnya hasil dilepaskan, karena sudah tidak sama dengan substrat lagi. Enzimnya sendiri, setelah hasil substrat dilepaskan, dapat kembali mengikat substrat lagi dan seterusnya satu per satu substrat diubah menjadi hasil.

Kerja enzim ini dapat dihambat/dijegal atau dipengaruhi oleh faktor lingkunga seperti temperatur, pH, konsentrasi garam dll.

Beberapa enzim membutuhkan ko-faktor (materi bukan protein) dan ko-enzim (seperti vitamin, atau molekul organik lain) yang membantu kerja enzim. Kerja enzim juga dihambat atau dijegal oleh molekul yang disebut inhibitor, pestisida, dan antibiotic

Posisi molekul enzim dalam sel dan hasil kerja enzim sangat berhubungan dengan membran biologi.

Membran

Struktur membran biologi, yaitu pemisah antara hidup dan tidak hidup dan secara selektif dapat dilalui adalah tiga lapis mosaik cair yang terdiri atas fosfolipid dan protein.

Fungsi membran ada empat yaitu:

1.       fungsi mosaik yang memfasilitasi proteinnya sebagai enzim, reseptor, sel junction dan transporter atau protein pemindah.

2.       membran transport, yaitu fungsi difusi, osmosis, difusi yang difasilitasi (oleh protein pemindah), dan transport aktif, yaitu pergerakan molekul melewati membran yang memerlukan energi dari gradien rendah ke gradien tinggi.

3.       memelihara keseimbangan air (osmoregulasi), yaitu fungsi membran di mana ia bertindak sebagai membran semipermeabel antara isi sel dan lingkungannya, yang meliputi kondisi isotonik, hipotonik, dan hipertonik

4.       eksositosis/endositosis, yaitu fungsi membran untuk mengeluarkan atau memasukkan materi dari dan ke luar sel. Termasuk dalam endositosis adalah apa yang disebut fagositosis, pinositosis, dan pinositosis yang diperantai reseptor.

Proses metabolisme yang membutuhkan energi dan yang menghasilkan energi terjadi dalam sel dalam organel utama. Organel utama untuk proses metabolisme yang membutuhkan energi fotosintesis adalah kloroplast. Organel utama untuk proses metabolisme yang menghasilkan energi respirasi selular adalah mitokondria.

Respirasi Selular

Respirasi seluler adalah jalur metabolimse yang memanen atau menghasilkan energi. Istilah respirasi sama dengan bernafas yaitu pertukaran oksigen (O₂) dan karbondioksida (CO₂) antara organisme dan lingkungannya.

Respirasi selular yaitu pemanenan atas proses menghasilkan energi secara aerobik (perlu O₂) dari molekul makanan oleh sel. Oleh karena itu pernafasan dan respirasi selular sangat berhubungan.

Rumus umum untuk respirasi selular adalah:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ à 6 CO₂ + 6H₂O + ATP

Ada tiga tipe jalur metabolisme yang menghasilkan energi.

Tipe yang paling umum terjadi dalam sel yaiut respirasi aerobik dan yang merupakan jalur utama penghasil energi yang menghasilkan ATP (pembentukan ATP), molekul energi bioogi. Istilah aerobik menunjukkan makna bahwa jalur aerobik tidak dapat berlangsung tanpa tersedianya oksigen yang cukup. Setiap pernafasan yang kau ambil, kau memasukkan oksigen untuk menyediakan sel-sel dapat melangsungkan jalur aerobik ini. Dua jalur lain adalah jalur anaerobik, yaitu jalur yang dapat ditempuh tanpa ketersediaan oksigen. Jalur anaerobik yang paling umum adalah jalur fermentasi dan transport elektron anaerob. Kebanyakan bakteri dan protista lain sangat mengandalkan jalur anaerob untuk membuat atau mengahasilkan ATP yang diperlukannya. Ketiga tipe jalur metabolisme penghaisl energi tersebut memulai prosesnya dengan reaksi yang sama yang disebut reaksi glikolisis. Reaksi glikolisis memecah glukosa menjadi dua molekul asam piruvat. Reaksi glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel tanpa peranan oksigen. Setelah reaksi glikolisis jalur berikutnya bisa berbeda, bisa aerobik, bisa anaerob, tergantung kebutuhan sel dan atau ketersediaan oksigen dalam sel. Apabila jalur melalui aerob yang ditempuh, maka proses akan dilangsungkan dalam organel mitrokondria. Dalam mitokondria oksigen adalah penerima elektron terakhir yang dilepaskan selama proses reaksi. Apabila jalur anaerob yang dipilih maka proses metabolisme berlangsung tetap paa sitoplasma sel dan substansi selain oksigen dalam sitoplasma adalah penerima elektron terakhir. Dalam ketiga jalur tersebut, reaksi tidak dapat mereka langsungkan sendiri, tetapi harus dibantu enzim.    

Respirasi Aerobik

Respirasi aerobik adalah jalur yang paling banyak menghasilkan energi ATP dari satu molekul glukosa, yaitu satu molekul glukosa melalui jalur respirasi aerobik dapat dihasilkan 36 bahkan lebih molekul ATP, bila lewar jalur fermentasi satu molekul glukosa dihasilkan 2 ATP.

Bila Anda seekor bakteri, Anda memang tidak butuh banyak ATP. Tapi bila Anda berukuran besar, memiliki sistem yang kompleks dan beraktifitas tinggi maka ketergantungan Anda akan ketersediaan ATP yang cukup yaitu melalui jalur aerobik sangat penting.

Rumus umum respirasi seluler di atas hanya menunjukkan gugus awal reaksi (yaitu glukosa) dan gugus final reaksi (yaitu karbondioksida dan air) dari jalur tersebut.

Di antara kedua molekul start dan finish tersebut ada tiga tahapan reaksi berlangsung. Tahap pertamanya adalah glikolisis.

tahap keduanya adalah termasuk apa yang disebut siklus Krebs, yaitu tahapan mulai dari molekul piruvat dipecah secara lengkap menjadi air dan karbondioksida. Tahap ketiganya adalah fosforilasi transport elektron.

Selama tahapan kedua, dihasilkan banyak ATP, tetapi hidrogran dan elektron dibatasi pergerakannya alias dilepaskan dan dipindahkan oleh koenzim (NAD+ dan FAD) ke sistem transport elektron.

Sistem tersebut bersamaan dengan enzim di dekatnya menjadi mesin untuk proses fosforilasi transport elektron. Tahap ketiga inilah yang menghasilkan banyak sekali molekul ATP. Pada hakikatnya, respirasi adalah pemanfaatan energi bebas dalam makanan menjadi energi bebas yang ditimbun dalam bentuk ATP. Dalam sel, ATP digunakan sebagai sumber energi bagi seluruh aktivitas hidup yang memerlukan energi. Menurut Campbell et al. (2002), aktivitas hidup yang memerlukan energi antara lain, kerja mekanis (kontraktil dan motilitas), transpor aktif (mengangkut molekul zat atau ion yang melawan gradien konsentrasi zat), produksi panas (bagi tubuh burung dan hewan menyusui). Namun, selain ketiga tujuan tersebut, energi dibutuhkan oleh tubuh untuk transfer materi genetik dan metabolisme sendiri.

Respirasi merupakan fungsi kumulatif dari tiga tahapan metabolik yaitu glikolisis, siklus krebs, rantai transport electron dan fosforilasi oksidatif. Dua tahapan yang pertama, glikolisis dan siklus krebs merupakan jalur katabolic yang menguraikan glukosa dan bahan bakar organik lainnya. glikolisis terjadi dalam sitosol dan mengawali perombakan dengan pemecahan glukosa menjadi dua molekul senyawa piruvat. Siklus krebs terjadi dalam mitokondria dengan menguraikan turunan piruvat menjadi karbodioksida. Dengan demikian, karbondioksida yang dihasilkan respirasi dan biasanya dikeluarkan oleh organisme ke udara merupakan fragmen dari molekul organik yang teroksidasi. Sebagian tahap glikolisis dan daur krebs merupakan reaksi redoks di mana enzim dehidrogenase mentransfer electron dari substrat ke NAD⁺ dan membentuk NADH.

Pada langkah ketiga respirasi, rantai transport elektron menerima elektron dari produk hasil perombakan kedua langkah yang pertama tersebut dan melewatkan electron ini dari satu molekul ke molekul yang lain. pada akhir rantai ini, elektron digabungkan dengan ion hydrogen dan oksigen melekuler untuk membentuk air. Energi yang dilepas dari rantai tersebut disimpan dalam suatu bentuk dan digunakan oleh mitokondria untuk membuat ATP. Modus sintesis ATP ini disebut fosforilasi oksidatif karena digerakkan oleh reaksi redoks yang mentransfer elektron dari makanan oksigen.

Selama respirasi seluler, pemanenan energi makanan untuk sintesis ATP jika satu molekul glukosa terurai secara sempurna maka fosforilasi tingkat substrat menghasilkan 4 ATP dan fosforilasi oksidatif menghasilkan 34 ATP. Proses oksidasi satu molekul glukosa dapat memanen energi sebanyak 38 ATP. Sementara itu, dalam oksidasi sempurna satu molekul glukosa melepaskan 686 kkal (DG = -686 kkal/mol), dan fosforilasi ADP menjadi ATP menyimpan sedikitnya 7,3 kkal per mol ATP. Oleh karena itu, efisiensi respirasi adalah 7,3 kali 38 dibagi 686, atau kira-kira 40%. Sedangkan sisa energi simpanan hilang sebagai panas untuk mempertahankan suhu tubuh, dan menghamburkan sisanya melalui keringat dan mekanisme pendinginan lainnya (Campbell et al., 2002)

RESPIRASI SEL

Didalam setiap sel hidup terjadi proses metabolism. Salah satu proses tersbut adalah katabolisme. Katabolisme disebut pula disimilasi, karena dalam proses ini energy yang tersimpan ditimbulkan kembali atau dibongkar untuk menyelenggarakan proses – proses kehidupan.

Respirasi sel berlangsung didalam mitokondria melalui proses glikolisis, yakni proses pengubahan atom C6 menjadi C3. Dilanjutkan dengan proses dekarboksilasi oksidatif yang mengubah senyawa C3 menjadi senyawa C2 dan C1 (CO2). Kemudian daur krebs mengubah senyawa C2 menjadi senyawa C1(CO2¬).

Pada setiap tingkatan ini dihasilkan energy berupa ATP (adenosine Tri Phosphat) dan Hidrogen . hydrogen yang berenergi bergabung dengan akseptor hydrogen untuk dibawa ke transfer electron ; energynya dilepaskan dan hydrogen diterima oleh O2 menjadi H2O.

Didalam proses respirasi dihasilkan senyawa antara CO2 yang merupakan bahan dasarproses anabolisme.

Didalam proses respirasi sel bahan bakarnya adalah gula heksosa. Pembakaran tersebut memerlukan oksigen bebas, sehingga reaksi keseluruhan dapat ditukis sebagai berikut :
C₆h₁₂O₆ + 6 CO₂   ----------------  6 CO₂ + 6H₂O + 675 kal

Dalam respirasi aerob. Gula heksosa mengalami pembongkaran dengan proses yang sangat panjang. Pertamakali glukosa sebagai bahan dasar mengalami fosfolarisasi, yaitu proses penambahan fosfat kepada molekul – molekul glukosa hingga menjadi fruktosa -1, 6 – difosfat. Pada fosforilasi , ATP dan ADP memgang peranan penting sebagai pengisi fosfat.

Adapun pengubahan fruktosa – 1 , 6 – dipospat hingga akhirnya menjadi CO2 dan H2O dapat dibagi menjadi empat tahap , yaitu glikolisis, reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif), siklus krebs, dan transfer electron.

Glikolisis Adalah rangkaian reaksi pengubahan molekul glukosa menjadi asam piruvat dengan menghasilkan NADH dan ATP.

Sifat – sifat glikolisis ialah:

a.       Dapat berlangsung secara aerob maupun anaerob

b.      Dalam glikolisis terdapat kegiatan enzimatis dan AdenosineTrifosfat (ATP) serta Adenosine Difosfat (ADP)

c.       ADP dan ATP berperan dalam pemindahan fosfat dari molekul satu ke molekul lainnya.

Glukosa sebagai substrat dalam respirasi aerob (maupun anaerob) diperoleh dari hasil fotosintesis.diawali dengan penambahan satu fosfat oleh ATPO terhadap glukosa, sehingga terbentuk glukosa – 6 fosfat dan ATP menyusut menjadi ADP . peristiwa ini disebut fosfolirasi yang berlangsung dengan bantuan enzim heksokinase dan ion Mg++ hasil akhir dari fosfolirasi berupa fruktosa-1, 6-difosfat dan dari sinilah dimulai glikolisis.

Glikolisis dimulai dari perubahan fruktosa -1, 6-difosfat yang memiliki 6 buah atom C diubah menjadi 3-difosfogliseral-dehida (dengan 3 buah atom C) dan dihidroksi-aseton-fosfat. Pembongkaran ini dibantu oleh enzim aldolase.

Dihidroksi aseton fosfat kemudian menjadi 3- fosfogliseraldehida juga dengan pertolongan enzim fosfitriosaisomerase. Selanjutnya fosfogliseraldehida bersebyawa dengan suatu asam fosfat (H3PO4) dan berubah menjadi 1,3 –disfosfogliseraldehida.

1,3 – difosfogliseraldehida berubah menjadi asam 1,3 –difosfogliserat dengan bantuan enzimdehidrogenase. Peristiwa ini terjadi karena adanya penambahan H2.

Dengan bantuan enzim transfosforilase fosfogliserat serta ion – ion Mg++, asam 1,3-difosfogliserat kehilangan satu fosfat sehingga berubah menjadi asam – 3 – fosfogliserat. Selanjutnya asam – 3 – fosfogliserat menjadi asam – 2 – fosfogliserat karena pengaruh enzim fosfogliseromutase. Dengan pertolongan enzim enolase dan ion – ion Mg⁺⁺, maka asam- 2-fosfofogliserat melepaskan H₂O dan menjadi asam -2-fosfoenolpiruvat.

Perubahan terakhir dalam glikolisisadalah pelepasan satu fosfat dari asam-2-fosfoenolpiruvat menjadi asam piruvat. Enzim transfosforilase fosfopiruvat dan ion – ion Mg++ membantu proses ini sedang ADP meningkat menjadi ATP.

Prinsip Respirasi Sel

Senyawa organik menyimpan energi dalam susunan atomnya. Dengan bantuan enzim sel secara sistematik merombak molekul organic kompleks yang kaya akan energi potensial menjadi produk limbah yang berenergi lebih rendah. Suatu proses katabolic, fermentasi, merupakan perombakan parsial gula yang terjadi tanpa bantuan oksigen. Akan tetapi,jalur katabolic yang paling umum dan paling efisien ialah respirasi seluler,dimana oksigen dikonsumsi sebagai reaktan bersama-sama dengan bahan bakar organic. Makanan meupakan bahan bakar untuk respirasi, dan buangannya adalah karbondioksida dan air. Proses keseluruhan dapat dirangkum sebagai berikut :

Senyawa organic + Oksigen → Karbon dioksida + Air + Energi

2. Tahapan respirasi sel

Respirasi merupakan fungsi kumulatif dari tiga tahapan metabolic, yang diperlihatkan melalui tiga tahapan penting, yaitu :

1.      Glikolisis

2.      Siklus Krebs

3.      Rantai transpor elektron dan fosforilasi oksidatif

Dua tahapan yang pertama, glikolisis dan siklus Krebs, merupakan jalur katabolic yang menguraikan glukosa dan bahan baker organic lainnya. Glikolisis terjadi di dalam sitosol yang mengawali perombakan dengan pemecahan glukosa menjadi dua molekul piruvat. Siklus Krebs terjadi di dalam matriks mitokondria yang menguraikan turunana piruvat menjadi karbon dioksida. Sebagian tahap glikolisis dan siklus Krebs ini merupakan reaksi redoks dimana enzim dehidrogenase mentransfer electron dari substrat ke NAD⁺, dan membentuk NADH. Energi yang dilepas pada setiap langkah setiap rantai tersebut disimpan dalam suatu bentuk yang digunakan oleh mitokondria untuk membuat ATP. Modus sintesis ATP ini disebut fosforilasi oksidatif karena sintesis ini digerakkan oleh reaksi redoks yang mentransfer electron dari makanan ke oksigen.

1.      Respirasi menukar satuan energi yang besar yang ditumpuk dalam glukosa dengan suatu perubahan kecil ATP, yang lebih praktis untuk digunakan sel dalam melakukan kerjanya. Untuk setiap molekul glukosa yang dirombak nmenjadi karbon dioksida dan air oleh respirasi, sel ini menghasilkan kira – kira 38 molekul ATP.
Glikolisis

2.      Kata glikolisis berarti menguraikan gula. Glukosa, gula berkarbon-enam, diuraikan menjadi dua gula berkarbon-tiga. Gula yang lebih kecil ini kemudian dioksidasi, dan atom sisanya disusun ulang untuk membentuk dua molekul piruvat.

Jalur katabolic glikolisis terdiri dari sepuluh langkah, yang masing - masing dikatalisis oleh enzim spesifik. Kesepuluh langkah itu dibagi menjadi dua fase, yaitu fase investasi energi mencakup lima langkah pertama dan fase pembayaran energi mencakup lima langkah berikutnya. Selama fase investasi energi, sel sebenarnya menggunakan ATP untuk memfosforilasi molekul bahan bakar. Investasi ini terbayar dengan dividennya selama fase pembayaran energi, ketika ATP dihasilkan oleh fosforilasi tingkat substrat dan NAD⁺ direduksi menjadi NADH melalui oksidasi makanan.

1.      Fase investasi energi yang terdiri dari lima langkah pertama, yaitu :

1.      glukosa memasuki sel dan difosforilasi oleh enzim heksokinase, yang mentransfer gugus fosfat dari ATP ke gula.

2.      Glukosa – 6 – fosfat disusun ulang untuk mengubahnya menjadi isomernya, yaitu fruktosa – 6 – fosfat. Enzim yang digunakan yaitu enzim fosfoglukoisomerase.

3.      Dalam langkah ini, molekul ATP lain masih diinvestasikan dalam glikolisis. Dengan gugus fosfat pada ujung – ujung yang berlawanan, gula ini sekarang siap diuraikan menjadi setengahnya. Enzim yang digunakan pada tahapan ini adalah fosfofruktokinase.

4.      Dari reaksi inilah muncul nama glikolisis. Enzim aldolase menguraikan dua molekul gula menjadi dua gula berkarbon tiga yang berbeda : gliseraldehida fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Kedua gula ini merupakan isomer satu sama lain.

5.      Enzim lain mengkatalisis perubahan bolak balik ( reversible ) antara kedua gula berkarbon tiga tersebut, dan jika dibiarkan dalam tabung reaksi akan mencapai kesetimbangan. Akan tetapi, ini tidak akan terjadi dalam sel karena enzim isomerase dalam glikolisis hanya menggunakan gliseraldehida fosfat sebagai substratnya dan tidak menerima dihidroksiaseton fosfat. Jadi, selisih hasil langkah 4 dan 5 ialah penguraian gula berkarbon enam menjadi dua molekul gliseraldehida fosfat.

2.      Fase pembayaran energi yang mencakup lima langkah berikutnya, antara lain :

6) suatu enzim triosfosfat dehidrogenase mengkatalisis dua reaksi berurutan ketika enzim itu mengikat gliseraldehida fosfat dalam tempat aktifnya. Gula dioksidasi oleh transfer electron dan H⁺ ke NAD⁺, yang membentuk NADH. Reaksi inisangat eksergonik, dan enzim tersebut menggunakan energi yang dilepas untuk mengikat gugus fosfat ke substrat teroksidasi, menghasilkan prosuk dengan energi potensial yang sangat tinggi. Sumber fosfat ialah fosfat anorganik yang selalu ada dalam sitosol.

7) glikolisis menghasilkan sejumlah ATP dengan bantuan enzim fosfogliserkinase. Gugus fosfat yang ditambahkan dalam langkah sebelumnya ditransfer ke ADP dalam suatu reaksi eksergonik. Untuk setiap molekul glukosa yang memulai glikolisis, langkah 7 menghasilkan 2 molekul ATP karena setiap produk setelah langkah penguraian gula ( langkah 4 ) digandakan.

8) suatu enzim fosfogliseromutase merelokasi gugus fosfat yang tersisa.

9) suatu enzim enolase membentuk ikatan ganda dengan substrat dengan cara mengekstraksi suatu molekul air untuk membentuk posfoenolpiruvat, atau PEP. Ini menyebabakan electron substrat disusun ulang sedemikian rupa sehingga ikatan fosfatnya yang tersisa menjadi sangat tidak stabil.

10) reaksi terakhir glikolisis ini menggunakan enzim piruvat kinase yang menghasilkan lagi ATP dengan mentransfer gugus fosfat dari PEP ke ADP. Langkah 7 dan 10 masing – masing menghasilkan 2 ATP sehingga keseluruhan membayar empat, tetapi hutang ATP telah dilakukan pada langkah 1 dan 3. energi tambahan disimpan oleh langkah 6 dalam NADH yang dapat digunakan untuk membuat ATP melalui fosforilasi oksidatif jika oksigen ada.

Secara ringkas reaksi glikolisis dapat ditulis sebagai berikut :

Glukosa + 2 NAD⁺ + 2 ADP^2- + 2 H₂PO₄ → 2 Piruvat + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP^3- + 2 H₂O

Glikolisis memberikan beberapa manfaat, yaitu :

1.      Mereduksi 2 molekul NAD⁺ menjadi NADH untuk setiap molekul heksosa yang dirombak.

2.      Setiap molekul heksosa yang dirombak akan dihasilkan 2 ATP.

3.      Melalui glikolisis akan dihasilkan senyawa-senyawa antara yang dapat menjadi bahan baku untuk sintesis berbagai senyawa yang terdapat dalam tumbuhan.

Reaksi Antara

Setelah glikolisis terjadi reaksi antara. (dekarboksilasi oksidatif), yaitu pengubahan asam piruvat menjadi 2 asetil KoA sambil menghasilkan CO₂ dan 2NADH₂ yang reaksinya adalah :

2 NAD 2NADH2

2(C₃H₄O₃) 2 (C₃H₃O) – KoA + 2CO₂

Piruvat Asetil KoA

Perubahan asam piruvat menjadi asetil KoA merupakan persimpangan jalan untuk menuju berbagai biosintesis yang lain. Asetil KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus krebs.

2.     Siklus Krebs ( Siklus Asam Sitrat)
Siklus Krebs ( Siklus Asam Sitrat )

Glikolisis melepaskan energi kurang dari seperempat energi kimiawi yang tersimpan dalam glukosa; sebagian besar energi itu tetap tersimpan dalam dua molekul piruvat. Jika ada oksigen molekuler, piruvat itu memasuki mitokondria, dimana enzim-enzim siklus Krebs menyempurnakan oksidasi bahan bakar organiknya.

Setelah memasuki mitokondria, piruvat mula-mula diubah menjadi suatu senyawa yang disebut asetil CoA. Langkah ini merupakan junction ( persambungan ) antara glikolisis dan siklus Krebs, yang diselesaikan oleh kompleks multienzim yang mengkatalisis tiga reaksi: 1) Gugus karboksil piruvat, yang memiliki sedikit energi kimiawi, dikeluarkan dan dilepas sebagai molekul CO₂. 2) Fragmen berkarbon dua yang tersisa dioksidasi untuk membuat senyawa yang dinamai asetat. 3) Koenzim A, senyawa yang mengandung sulfur turunan dari vit. B, diikatkan oleh asetat tadi oleh ikatan tak stabil yang membuat gugus asetil sangat reaktif.

Siklus Krebs dinamai berdasarkan nama Hans Krebs, saintis Jerman – Inggris yang paling bertanggung jawab dalam pembeberan jalur ini pada tahun 1930-an. Siklus ini memiliki delapan langkah, masing-masing dikatalisis oleh suatu enzim spesifik dalam matriks mitokondria. Setiap putaran sikluls Krebs, dua karbon masuk dalam bentuk asetat yang relative tereduksi ( langkah 1 ), dan dua karbon yang berbeda keluar dalam bentuk CO₂ yang teroksidasi sempurna ( langkah 3 dan 4 ). Asetat bergabung dalam siklus ini melalui penambahan enzimatiknya ke senyawa oksaloasetat, yang membentuk sitrat. Langkah-langkah berikutnya menguraikan sitrat kembali menjadi oksaloasetat, yang melepaskan CO₂ sebagai “buangan”.

Sebagian besar energi yang dipanen oleh langkah oksidatif siklus ini disimpan dalam NADH. Untuk setiap asetat yang memasuki siklus ini, tiga molekul NAD⁺ direduksi menjadi NADH ( langkah 3, 4, dan 8 ). Dalam satu langkah oksidatif ( langkah 6 ), electron tidak ditransfer ke NAD⁺, tetapi ke akseptor electron lainnya, FAD. Ada juga satu langkah dalam siklus Krebs ini ( langkah 5 ) yang membentuk molekul ATP secara langsung dengan fosforilasi tingkat-substrat, serupa dengan langkah glikolisis yang membentuk ATP. Tetapi sebagian besar keluaran ATP respirasi berasal dari fosforilasi oksidatif, apabila NADH dan FADH₂ yang dihasilkan oleh siklus Krebs melerai ( melewatkan dan menguatkan ) electron yang diekstraksi dari makanan ke rantai transpor elektronnya.

Fungsi utama siklus Krebs adalah :

1.     mereduksi NAD⁺ dan FAD menjadi NADH dan FADH₂ yang kemudian dioksidai untuk menghasilkan ATP.

2.     Sintesis ATP secara langsung, yakni 1 molekul ATP untuk setiap molekul ppiruvat yang dioksidasi.

3.     Pembentukan kerangka karbon yang dapat digunakan untuk sintesis asam-asam amino tertentu.
Pada siklus krebs ini (terjadi dimatriks mitokondria) asetil KoA diubah menjadi KoA. Asetil KoA bergabung dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat. KoA dilepaskan sehingga memungkinkan untuk mengambil fragmen 2C lain dari asam piruvat.

Gambar: siklus krebs.jpg

Pembentukan asam sitrat terjadi diawal siklus krebs , sementara itu sisa dua karbon dari glukosa dilepaskan sebagai CO2. Selama terjadi pembentukan – pembentukan , energy yang dibutuhkan dilepaskan untuk menggabungkan fosfat denga ADP membentuk molekul ATP.

Pada siklus krebs , pemecahan rantai karbon pada glukosa selesai, Jadi, sebagai hasil dari glikoslisis , reaksi antara dan siklus krebs adalah pemecahan satu molekul glukosa 6 karbon menjadi 6 molekul 1 karbon, selain itu juga dihasilkan 2 molekul ATP dari glikolisis dan 2 ATP lagi dari siklus krebs.
Perlu diingat bahwa tiap – tiap proses melepaskan atom hydrogen yang ditranspor ke sistem transport electron oleh molekul pembawa .                                                        

3.Sistem transport elektron

Jika NADH dan FADH₂ yang dihasilkan dari glikolisis maupun siklus Krebs dioksidasi, maka akan dihasilkan ATP. Elektron yang terlibat ditransfer melalui beberapa senyawa perantara sebelum H₂O dibentuk. Pengangkutan elektron berlangsung mulai dari senyawa perantara yang secara termodinamis sulit direduksi menuju senyawa yang mempunyai kecenderungan yang lebih besar untuk menerima elektron. Setiap senyawa pembawa elektron dalam sistem ini hanya menerima elektron dari senyawa pembawa lainnya yang letaknya berdekatan dengannya. Senyawa-senyawa pembawa elektron ini tersususn secara terbaris pada bagian dalam membran mitokondria.

Seperti halnya system pengangkutan electron pada kloroplas, pada mitokondria juga terlibat enzim sitokhrom dan berbagai bentuk kuinon, terutama ubikuinon. Juga terdapat beberapa flavoprotein ( protein yang mengandung riboflavin ), protein yang mengandung belerang dan besi ( Fe-S protein ) yang mirip dengan ferredoksin, enzim sitikhrom oksidase dan beberapa senyawa lainnya yang belum teridentifikasi.

Sitikhrom dan protein Fe-S hanya dapat menerima dan mentransfer elektron satu per satu, tetapi ubikuinon dan flavoprotein dapat menerima dan mentrasnfer 2 elektron sekaligus. Peran ubikuinon dan flavoprotein ini penting dalam menciptakan perbedaan pH antara matriks (pH sekitar 8,5) dengan bagian luar membran dalam mitokondria (pH sekitar 7,0). Perbedaan pH ini akan memacu pembentukan ATP dari ADP dan Pi sesuai dengan teori kemiosmotik Mitchell, suatu istilah yang menitikberatkan pada hubungan antara reaksi-reaksi kimiawi dan transpor melintasi suatu membran. Teori ini pertama kali dikemukakan oleh Peter Mitchell, yang menyatakan bahwa aruselektron menyebabkan transportasi proton (H⁺) melalui membrane krista dari permukaan dalam ke permukaan luar. Pada mitokondria, pembentukan ATP didorong secara tidak langsung oleh kecenderungan O₂ untuk direduksi. Oleh sebab itu disebut fosforilasi oksidatif.

Fosforilasi dipercepat oleh suatu factor penggandaan atau ATPase, ATPase ini mempunyai bagian kepala dan ekor seperti halnya ATPase pada membrane tilakoid kloroplas. Bagian kepala menghadap ke sisi matriks, sedangkan bagian ekor menembus membran dalam mitokondria ke ruang antara membran dalam dan membran luar mitokondria. ATP terbentuk pada bagian kepala ATPase yang kemudian diangkut ke sitosol sel oleh suatu sisem pengangkutan antiport bersama dengan masuknya ADP. Sebelum menuju sitosol, ATP tersebut akan menembus membran luar mitokondria yang lebih mudah ditembus.

Pada sistem transpor electron berlangsung pengepakan energy dari glukosa menjadi ATP. Reaksi ini terjadi didalam membaran dalam mitokondria, hydrogen dari siklus krebs yang tergabung dalam FADH₂dan NADH diubah menjadi elektorn dan proton. Pada sistem transport electron ini, oksigen adalah akseptor electron yang terakhir , setelah menerima electron , O₂ akan bereaksi dengan H+ membentuk H₂O. pada sistem ini dihasilkan 34 ATP.

Jadi total ATP yang dihasilkan dari respirasi seluler adalah sebagai berikut:

Secara tidak langsung secara Lewat sistem transport elektron langsung

Glikolisis                   2 NADH2 = 6 ATP                                    2 ATP
Reaksi antara            2 NADH2 = 6 ATP
Siklus Krebs             6 NADH2 = 18 ATP                                   2 ATP
                                   2 FADH2 = 4 ATP

                        ------------------------------------                      ------------------

                                               34 ATP                                          4 ATP

Respirasi Aerob dan Anaerob

Respirasi aerob adalah suatu proses pernapasan yang membutuhkan iksigen dari udara.
Ada beberapa tumbuhan yang kegiatan respirasinya menurun bila konsentrasi oksigen di udara dibawah normal, misalnya bayam, wortel dan bebrapa tumbuhan lainnya.

Respirasi anaerob dapat pula disebut fermentasi atau respirasi intramolekul. Tujuan fermentasi sama dengan respirasi aerob, yaitu mendapatkan energy. Hanya saja energi yang dihasilkan jauh lebih sedikit dari respirasi aerob.

Perhatikan reaksi dibawah ini!

Respirasi aerob :

C₆H₁₂O₆ ---- 6 CO₂ + 6 H₂O + 675 kal + 38 ATP

Respiasi anaerob:

C₆H₁₂O_{6 ------}  2 C₂H₅OH + 2CO₂ + 21 kal + 2 ATP

Pernapasan anaerob dapat berlangsung didalam udara bebas, tetapi proses ini tidak menggunakan O2 yang disediakan di udara. Fermentasi sering pula disebut sebagai peragian alcohol atau alkoholisasi.

Pada respirasi aerob maupun anaerob, asam piruvat hasil proses glikolisis merupakan substrat. 

Perhatikan skema dibawah ini! 

Respirasi aerob dan respirasi anaerob

a) Asam piruvat dalam respirasi anaerob

b) Asam piruvat dalam respirasi aerob

Pembongkaran sempurna terjadi pada oksidasi asam piruvat dalam respirasu aerob. Dari proses ini dihasilkan CO₂ dan H₂O serta energy yang lebih banyak , yaitu 38 ATP.

Perbedaan Reaksi Aerob Dan Anaerob

Respirasi aerob adalah respirasi yang membutuhkan oksigen ( O₂ ). Respirasi aerob terjadi dalam matriks mitokondria.  Respirasi aerob digunakan untuk pemecahan senyawa organik menjadi senyawa anorganik.  Respirasi aerob menghasilkan energi yang lebih besar. Respirasi aerob menghasilkan 36 ATP. Proses respirasi aoerob :1. Glikosis 2. Dekarbosilasi oksidatif  3. Siklus Krebs 4. Transfer elektron

Respirasi anaerob adalah respirasi yang tidak memerlukan oksigen ( O₂ ). Respirasi anaerob terjadi pada sitoplasma. Respirasi anaerob terjadi untuk penguraian senyawa organik. Respirasi anaerob menghasilkan energi yang lebih kecil. Respirasi anaerob menghasilkan 2 ATP.
Proses respirasi anaerob : 1. Fermentasi. 2. Pernafasan intramolekul.

BAB III
KESIMPULAN

Respirasi Seluler

Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan.

Contoh:

Respirasi pada Glukosa, reaksi sederhananya:

C6H,206 + 6 02 ———————————> 6 H2O + 6 CO2 + Energi

(gluLosa)

Reaksi pembongkaran glukosa sampai menjadi H20 + CO2 + Energi, melalui tiga tahap :

1.       Glikolisis.

2.       Daur Krebs.

3.       Transpor elektron respirasi.

1.       Glikolisis:

Peristiwa perubahan :
Glukosa Þ Glulosa - 6 - fosfat Þ Fruktosa 1,6 difosfat Þ
3 fosfogliseral dehid (PGAL) / Triosa fosfat Þ Asam piravat.
Jadi hasil dari glikolisis :

1.1   2 molekul asam piravat.

1.2   2 molekul NADH yang berfungsi sebagai sumber elektron berenergi
tinggi.

1.3   2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.

2.  Daur Krebs (daur trikarbekdlat):

Daur Krebs (daur trikarboksilat) atau daur asam sitrat merupakan pembongkaran asam piravat secara aerob menjadi CO2 dan H2O serta energi kimia

3.  Rantai Transportasi Elektron Respiratori:

Dari daur Krebs akan keluar elektron dan ion H+ yang dibawa sebagai NADH2 (NADH + H+ + 1 elektron) dan FADH2, sehingga di dalam mitokondria (dengan adanya siklus Krebs yang dilanjutkan dengan oksidasi melalui sistem pengangkutan elektron) akan terbentuk air, sebagai hasil sampingan respirasi selain CO2.

Produk sampingan respirasi tersebut pada akhirnya dibuang ke luar tubuh melalui stomata pada tumbuhan dan melalui paru-paru pada peristiwa pernafasan hewan tingkat tinggi.

Ketiga proses respirasi yang penting tersebut dapat diringkas sebagai berikut:

PROSES AKSEPTOR ATP

1.       Glikolisis:

Glukosa ——> 2 asam piruvat 2 NADH 2 ATP

2.       Siklus Krebs:
2 asetil piruvat ——> 2 asetil KoA + 2 C02 2 NADH 2 ATP
2 asetil KoA ——> 4 CO2 6 NADH 2 PADH2

3.       Rantai trsnspor elektron respirator:
10 NADH + 502 ——> 10 NAD+ + 10 H20 30 ATP
2 FADH2 + O2 ——> 2 PAD + 2 H20 4 ATP
Total 38 ATP

Pembongkaran 1 mol glukosa (C6H1206) + O2 ——& gt; 6 H20 + 6 CO2 menghasilkan energi sebanyak 38 ATP.

DAFTAR PUSTAKA

www.chem-is-try.org/materi_kimia/...sel/katabolisme-respirasi

Campbell,Neil A,dkk.2002.Biologi.Jakarta:Erlangga

Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall.

http://www.phschool.com/el_marketing.html.

Rich, P. R. (2003). “The molecular machinery of Keilin’s respiratory chain”. Biochemical Society Transactions 31 (Pt 6): 1095–1105.

Porter, Rk; Brand, Mdvhhvkkdoc (1 September 1995). “Mitochondrial proton conductance and H+/O ratio are independent of electron transport rate in isolated hepatocytes” (Free full text). The Biochemical journal 310 ( Pt 2) (Pt 2): 379–82.

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=7654171.