Respirasi Sel: Pengertian, Persamaan & Langkah

Filsuf Bertrand Russell berkata, "Setiap makhluk hidup adalah semacam imperialis, berusaha untuk mengubah sebanyak mungkin dari lingkungannya ke dalam dirinya sendiri." Selain metafora, respirasi seluler adalah cara formal di mana makhluk hidup akhirnya melakukan ini. Respirasi sel mengambil zat yang ditangkap dari lingkungan eksternal (udara dan sumber karbon) dan mengubahnya menjadi energi untuk membangun lebih banyak sel dan jaringan dan untuk melaksanakan kehidupan yang menopang kegiatan. Ini juga menghasilkan produk limbah dan air. Ini jangan dikacaukan dengan "respirasi" dalam pengertian sehari-hari, yang biasanya berarti sama dengan "pernapasan". Bernafas adalah caranya organisme memperoleh oksigen, tetapi ini tidak sama dengan memproses oksigen, dan pernapasan tidak dapat memasok karbon yang juga diperlukan untuk pernafasan; diet menangani hal ini, setidaknya pada hewan.

Respirasi sel terjadi pada tumbuhan dan hewan, tetapi tidak pada prokariota (misalnya, bakteri), yang kekurangan mitokondria dan organel lain dan dengan demikian tidak dapat menggunakan oksigen, membatasi mereka untuk glikolisis sebagai energi sumber. Tumbuhan mungkin lebih sering diasosiasikan dengan fotosintesis daripada respirasi, tetapi fotosintesis adalah sumber oksigen untuk respirasi sel tumbuhan serta sumber oksigen yang keluar dari tumbuhan yang dapat digunakan oleh hewan. Produk sampingan utama dalam kedua kasus tersebut adalah ATP, atau adenosin trifosfat, pembawa energi kimia utama pada makhluk hidup.

Respirasi seluler, sering disebut respirasi aerobik, adalah pemecahan lengkap molekul glukosa dengan adanya oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida dan air:

C₆H₁₂HAI₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kkal

Persamaan ini memiliki komponen oksidasi (C₆H₁₂HAI₆ -> 6CO₂), pada dasarnya penghilangan elektron dalam bentuk atom hidrogen. Ini juga memiliki komponen reduksi, 6O₂ -> 6H₂O, yaitu penambahan elektron dalam bentuk hidrogen.

Apa persamaan secara keseluruhan diterjemahkan adalah bahwa energi yang dimiliki dalam ikatan kimia reaktan adalah digunakan untuk menghubungkan adenosin difosfat (ADP) ke atom fosfor bebas (P) untuk menghasilkan adenosin trifosfat (ATP).

Proses secara keseluruhan melibatkan beberapa langkah: Glikolisis terjadi di sitoplasma, diikuti oleh Krebs siklus dan rantai transpor elektron dalam matriks mitokondria dan pada membran mitokondria masing-masing.

Langkah pertama dalam pemecahan glukosa pada tumbuhan dan hewan adalah serangkaian 10 reaksi yang dikenal sebagai glikolisis. Glukosa memasuki sel hewan dari luar, melalui makanan yang dipecah menjadi molekul glukosa yang beredar dalam darah dan diambil oleh jaringan di mana energi paling dibutuhkan (termasuk otak). Tanaman, sebaliknya, mensintesis glukosa dari mengambil karbon dioksida dari luar dan menggunakan fotosintesis untuk mengubah CO₂ menjadi glukosa. Pada titik ini, terlepas dari bagaimana ia sampai di sana, setiap molekul glukosa terikat pada nasib yang sama.

Pada awal glikolisis, molekul glukosa enam karbon difosforilasi untuk menjebaknya di dalam sel; fosfat bermuatan negatif dan karena itu tidak dapat hanyut melalui membran sel seperti molekul nonpolar, kadang-kadang tidak bermuatan. Molekul fosfat kedua ditambahkan, yang membuat molekul tidak stabil, dan segera dipecah menjadi dua senyawa tiga karbon yang tidak identik. Ini segera mengasumsikan bentuk kimia yang datang, dan menjadi diatur ulang dalam serangkaian langkah untuk akhirnya menghasilkan dua molekul piruvat. Sepanjang jalan, dua molekul ATP dikonsumsi (mereka memasok dua fosfat yang ditambahkan ke glukosa sejak awal) dan empat diproduksi, dua oleh setiap proses tiga karbon, untuk menghasilkan jaring dua molekul ATP per molekul glukosa.

Pada bakteri, glikolisis saja sudah cukup untuk kebutuhan energi sel – dan dengan demikian seluruh organisme. Tetapi pada tumbuhan dan hewan, tidak demikian halnya, dan dengan piruvat, nasib akhir glukosa baru saja dimulai. Perlu dicatat bahwa glikolisis itu sendiri tidak memerlukan oksigen, tetapi oksigen umumnya termasuk dalam diskusi tentang respirasi aerobik dan karenanya respirasi seluler karena diperlukan untuk mensintesis piruvat.

Kesalahpahaman yang umum di kalangan penggemar biologi adalah bahwa kloroplas memiliki fungsi yang sama pada tumbuhan yang dilakukan mitokondria pada hewan, dan bahwa setiap jenis organisme hanya memiliki satu atau yang lain. Ini tidak begitu. Tumbuhan memiliki kloroplas dan mitokondria, sedangkan hewan hanya memiliki mitokondria. Tanaman menggunakan kloroplas sebagai generator – mereka menggunakan sumber karbon kecil (CO₂) untuk membangun yang lebih besar (glukosa). Sel hewan mendapatkan glukosa dengan memecah makromolekul seperti karbohidrat, protein dan lemak, dan dengan demikian tidak perlu membuat glukosa dari dalam. Ini mungkin tampak aneh dan tidak efisien dalam kasus tanaman, tetapi tanaman telah mengembangkan satu fitur yang tidak dimiliki hewan: kemampuan memanfaatkan sinar matahari untuk penggunaan langsung dalam fungsi metabolisme. Hal ini memungkinkan tanaman untuk benar-benar membuat makanan mereka sendiri.

Mitokondria diyakini telah menjadi sejenis bakteri yang berdiri bebas ratusan juta tahun yang lalu, sebuah teori yang didukung oleh mereka kemiripan struktural yang luar biasa dengan bakteri serta mesin metabolisme mereka dan adanya DNA dan organel mereka sendiri yang disebut ribosom. Eukariota pertama kali muncul lebih dari satu miliar tahun yang lalu ketika satu sel berhasil menelan yang lain (hipotesis endosimbion), mengarah ke pengaturan yang sangat bermanfaat bagi yang menelan dalam pengaturan ini karena penghasil energi yang diperluas kemampuan. Mitokondria terdiri dari membran plasma ganda, seperti sel itu sendiri; membran dalam meliputi lipatan yang disebut krista. Bagian internal mitokondria dikenal sebagai matriks dan analog dengan sitoplasma seluruh sel.

Kloroplas, seperti mitokondria, memiliki membran luar dan dalam dan DNA mereka sendiri. Di dalam ruang yang tertutup oleh membran dalam terletak bermacam-macam kantong membran yang saling berhubungan, berlapis dan berisi cairan yang disebut tilakoid. Setiap "tumpukan" tilakoid membentuk granum (jamak: grana). Cairan di dalam membran dalam yang mengelilingi grana disebut stroma.

Kloroplas mengandung pigmen yang disebut klorofil yang keduanya memberi warna hijau pada tanaman dan berfungsi sebagai pengumpul sinar matahari untuk fotosintesis. Persamaan untuk fotosintesis persis kebalikan dari respirasi sel, tetapi langkah-langkah individu untuk mendapatkan dari karbon dioksida menjadi glukosa sama sekali tidak menyerupai reaksi terbalik dari rantai transpor elektron, siklus Krebs dan glikolisis.

Dalam proses ini, juga disebut siklus asam trikarboksilat (TCA) atau siklus asam sitrat, molekul piruvat pertama-tama diubah menjadi molekul dua karbon yang disebut asetil koenzim A (asetil KoA). Ini melepaskan molekul CO₂. Molekul asetil KoA kemudian memasuki matriks mitokondria, di mana masing-masing dari mereka bergabung dengan molekul oksaloasetat empat karbon untuk membentuk asam sitrat. Jadi, jika Anda melakukan perhitungan yang cermat, satu molekul glukosa menghasilkan dua molekul asam sitrat pada awal siklus Krebs.

Asam sitrat, molekul enam karbon, disusun ulang menjadi isositrat, dan kemudian atom karbon dilepaskan untuk membentuk ketoglutarat, dengan CO₂ keluar dari siklus. Ketoglutarat pada gilirannya dilucuti dari atom karbon lain, menghasilkan CO2 lain₂ dan suksinat dan juga membentuk molekul ATP. Dari sana, molekul suksinat empat karbon diubah secara berurutan menjadi fumarat, malat dan oksaloasetat. Reaksi-reaksi ini melihat ion hidrogen dikeluarkan dari molekul-molekul ini dan ditempelkan ke pembawa elektron berenergi tinggi NAD+ dan FAD+ untuk membentuk NADH dan FADH₂ masing-masing, yang pada dasarnya adalah "penciptaan" energi yang menyamar, seperti yang akan segera Anda lihat. Pada akhir siklus Krebs, molekul glukosa asli telah menghasilkan 10 NADH dan dua FADH₂ molekul.

Reaksi siklus Krebs hanya menghasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa asli, satu untuk setiap "putaran" siklus. Ini berarti bahwa selain dua ATP yang dihasilkan dalam glikolisis, setelah siklus Krebs, hasilnya adalah total empat ATP. Tetapi hasil nyata dari respirasi aerobik belum terungkap pada tahap ini.

Rantai transpor elektron, yang terjadi pada krista membran mitokondria bagian dalam, adalah langkah pertama dalam respirasi seluler yang secara eksplisit bergantung pada oksigen. NADH dan FADH₂ diproduksi dalam siklus Krebs sekarang siap untuk berkontribusi pada pelepasan energi secara besar-besaran.

Cara ini terjadi adalah ion hidrogen yang tersimpan pada molekul pembawa elektron ini (ion hidrogen dapat, untuk tujuan ini, dianggap sebagai pasangan elektron dalam hal kontribusinya pada bagian respirasi ini) digunakan untuk: membuat gradien kemiosmotik. Anda mungkin pernah mendengar tentang gradien konsentrasi, di mana molekul mengalir dari daerah dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah, seperti kubus gula yang larut dalam air dan partikel gula menjadi tersebar sepanjang. Namun, dalam gradien kemiosmotik, elektron dari NADH dan FADH₂ akhirnya diteruskan oleh protein yang tertanam dalam membran dan berfungsi sebagai sistem transfer elektron. Energi yang dilepaskan dalam proses ini digunakan untuk memompa ion hidrogen melintasi membran dan menciptakan gradien konsentrasi di atasnya. Ini mengarah ke aliran bersih atom hidrogen dalam satu arah, dan aliran ini digunakan untuk memberi daya pada enzim yang disebut ATP sintase, yang membuat ATP dari ADP dan P. Pikirkan rantai transpor elektron sebagai sesuatu yang menempatkan sejumlah besar air di belakang kincir air, rotasi berikutnya yang digunakan untuk membangun sesuatu.

Ini, bukan kebetulan, adalah proses yang sama yang digunakan dalam kloroplas untuk menggerakkan sintesis glukosa. Sumber energi untuk menciptakan gradien melintasi membran kloroplas dalam hal ini bukan NADH dan FADH₂, tapi sinar matahari. Aliran ion hidrogen berikutnya ke arah konsentrasi ion H+ yang lebih rendah digunakan untuk menggerakkan sintesis molekul karbon yang lebih besar dari yang lebih kecil, dimulai dengan CO₂ dan diakhiri dengan C₆H₁₂HAI₆.

Energi yang mengalir dari gradien kemiosmotik digunakan untuk menggerakkan tidak hanya produksi ATP tetapi juga proses seluler vital lainnya, seperti sintesis protein. Jika rantai transpor elektron terputus (seperti dengan kekurangan oksigen yang berkepanjangan), gradien proton ini tidak dapat dipertahankan dan produksi energi seluler berhenti, sama seperti kincir air berhenti mengalir ketika air di sekitarnya tidak lagi memiliki aliran tekanan gradien.

Karena setiap molekul NADH telah ditunjukkan secara eksperimental untuk menghasilkan sekitar tiga molekul ATP dan setiap FADH FA₂ menghasilkan dua molekul ATP, energi total yang dilepaskan oleh reaksi berantai transpor elektron adalah (mengacu kembali ke bagian sebelumnya) 10 kali 3 (untuk NADH) ditambah 2 kali 2 (untuk FADH2)₂) dengan total 34 ATP. Tambahkan ini ke 2 ATP dari glikolisis dan 2 dari siklus Krebs, dan dari sinilah angka 38 ATP dalam persamaan respirasi aerobik berasal.