Semua organisme menggunakan molekul yang disebut glukosa dan proses yang disebut glikolisis untuk memenuhi sebagian atau seluruh kebutuhan energinya. Untuk organisme prokariotik bersel tunggal, seperti bakteri, ini adalah satu-satunya proses yang tersedia untuk menghasilkan ATP (adenosin trifosfat, "mata uang energi" sel).
Organisme eukariotik (hewan, tumbuhan, dan jamur) memiliki mesin seluler yang lebih canggih dan bisa mendapatkan lebih banyak dari molekul glukosa – sebenarnya lebih dari lima belas kali lipat ATP. Ini karena sel-sel ini menggunakan respirasi seluler, yang secara keseluruhan adalah glikolisis ditambah respirasi aerobik.
Reaksi yang melibatkan dekarboksilasi oksidatif dalam respirasi seluler disebut reaksi jembatan berfungsi sebagai pusat pemrosesan antara reaksi anaerobik glikolisis dan dua langkah respirasi aerobik yang terjadi di mitokondria. Tahap jembatan ini, yang lebih formal disebut oksidasi piruvat, sangat penting.
Mendekati Jembatan: Glikolisis
Dalam glikolisis, serangkaian sepuluh reaksi dalam sitoplasma sel mengubah molekul gula enam karbon glukosa menjadi dua molekul piruvat, senyawa tiga karbon, sambil menghasilkan total dua ATP molekul. Pada bagian pertama glikolisis, yang disebut fase investasi, sebenarnya diperlukan dua ATP untuk menggerakkan reaksi sepanjang, sementara di bagian kedua, fase kembali, ini lebih dari dikompensasi oleh sintesis empat ATP molekul.
Fase investasi: Glukosa memiliki gugus fosfat yang melekat dan kemudian disusun kembali menjadi molekul fruktosa. Molekul ini pada gilirannya memiliki gugus fosfat yang ditambahkan, dan hasilnya adalah molekul fruktosa terfosforilasi ganda. Molekul ini kemudian dipecah dan menjadi dua molekul tiga karbon yang identik, masing-masing dengan gugus fosfatnya sendiri.
Fase kembali: Masing-masing dari dua molekul tiga karbon memiliki nasib yang sama: Ia memiliki gugus fosfat lain yang terikat, dan masing-masing dari ini digunakan untuk membuat ATP dari ADP (adenosin difosfat) sementara sedang disusun ulang menjadi piruvat molekul. Fase ini juga menghasilkan molekul NADH dari molekul NAD+.
Energi bersih yang dihasilkan adalah 2 ATP per glukosa.
Reaksi Jembatan
Reaksi jembatan, juga disebut reaksi transisi, terdiri dari dua langkah. Yang pertama adalah dekarboksilasi piruvat, dan yang kedua adalah menempelkan apa yang tersisa ke molekul yang disebut koenzim A.
Ujung molekul piruvat adalah karbon yang berikatan rangkap dengan atom oksigen dan berikatan tunggal dengan gugus hidroksil (-OH). Dalam prakteknya, atom H dalam gugus hidroksil dipisahkan dari atom O, sehingga bagian piruvat ini dapat dianggap memiliki satu atom C dan dua atom O. Dalam dekarboksilasi, ini dihilangkan sebagai CO2, atau karbon dioksida.
Kemudian, sisa molekul piruvat, yang disebut gugus asetil dan memiliki rumus CH3C(=O), bergabung dengan koenzim A pada tempat yang sebelumnya ditempati oleh gugus karboksil piruvat. Dalam prosesnya, NAD+ direduksi menjadi NADH. Per molekul glukosa, reaksi jembatannya adalah:
2 CH3C(=O)C(O)O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C(=O)CoA + 2 NADH
Setelah Jembatan: Respirasi Aerobik
Siklus Krebs: Lokasi siklus Krebs berada di matriks mitokondria (materi di dalam membran). Di sini, asetil KoA bergabung dengan molekul empat karbon yang disebut oksaloasetat untuk membuat molekul enam karbon, sitrat. Molekul ini dikupas kembali menjadi oksaloasetat dalam serangkaian langkah, memulai siklus baru.
Hasilnya adalah 2 ATP bersama dengan 8 NADH dan 2 FADH2 (pembawa elektron) untuk langkah selanjutnya.
Rantai Transpor Elektron: Reaksi-reaksi ini terjadi di sepanjang membran mitokondria bagian dalam, di mana empat kelompok koenzim khusus, bernama Kompleks I sampai IV, tertanam. Ini menggunakan energi dalam elektron pada NADH dan FADH2 untuk mendorong sintesis ATP, dengan oksigen menjadi akseptor elektron terakhir.
Hasilnya adalah 32 hingga 34 ATP, menempatkan hasil energi keseluruhan dari respirasi seluler pada 36 hingga 38 ATP per molekul glukosa.