RESPIRASI SEL

1. 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.

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.

1. Glikolisis

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.

2. 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.

3. Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif

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.