Apa Peran Glukosa dalam Respirasi Sel?

Kehidupan di Bumi sangat beragam, mulai dari bakteri terkecil yang hidup di ventilasi termal hingga gajah berbobot besar yang tinggal di Asia. Tetapi semua organisme (makhluk hidup) memiliki sejumlah karakteristik dasar yang sama, di antaranya kebutuhan akan molekul untuk memperoleh energi. Proses ekstraksi energi dari sumber eksternal untuk pertumbuhan, perbaikan, pemeliharaan dan reproduksi dikenal sebagai metabolisme.

Semua organisme terdiri dari setidaknya satu sel (tubuh Anda sendiri mencakup triliunan), yang merupakan entitas terkecil yang tidak dapat direduksi yang mencakup semua properti yang dianggap berasal dari kehidupan menggunakan definisi konvensional. Metabolisme adalah salah satu properti tersebut, seperti kemampuan untuk mereplikasi atau mereproduksi. Setiap sel di planet ini dapat dan memang memanfaatkan glukosa, yang tanpanya kehidupan di Bumi tidak akan pernah ada atau akan terlihat sangat berbeda.

Glukosa memiliki rumus C₆H₁₂HAI₆, memberikan molekul massa molekul 180 gram per mol. (Semua karbohidrat memiliki rumus umum C

Glukosa di alam ada sebagai cincin enam atom, digambarkan sebagai heksagonal di sebagian besar teks. Lima atom karbon termasuk dalam cincin bersama dengan satu atom oksigen, sedangkan atom karbon keenam adalah bagian dari gugus hidroksimetil (-CH₂OH) terikat pada salah satu karbon lainnya.

Asam amino, seperti glukosa, adalah monomer yang menonjol dalam biokimia. Sama seperti glikogen disusun dari rantai panjang glukosa, protein disintesis dari rantai panjang asam amino. Meskipun ada 20 asam amino berbeda dengan banyak kesamaan, glukosa hanya ada dalam satu bentuk molekul. Dengan demikian komposisi glikogen pada dasarnya tidak berubah, sedangkan protein sangat bervariasi dari satu ke yang berikutnya.

Metabolisme glukosa untuk menghasilkan energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) dan CO₂ (karbon dioksida, produk limbah dalam persamaan ini) dikenal sebagai respirasi seluler. Tahap pertama dari tiga tahap dasar respirasi seluler adalah glikolisis, serangkaian 10 reaksi yang tidak memerlukan oksigen, sedangkan dua tahap terakhir adalah Siklus Krebs (juga dikenal sebagai siklus asam sitrat) dan rantai transpor elektron, yang memang membutuhkan oksigen. Bersama-sama, dua tahap terakhir ini dikenal sebagai pernapasan aerobik.

Respirasi seluler terjadi hampir seluruhnya di eukariota (hewan, tumbuhan dan jamur). Prokariota (domain sebagian besar uniseluler yang mencakup bakteri dan archaea) memperoleh energi dari glukosa, tetapi hampir selalu dari glikolisis saja. Implikasinya adalah bahwa sel prokariotik hanya dapat menghasilkan sekitar sepersepuluh energi per molekul glukosa seperti yang dapat dilakukan sel eukariotik, seperti yang akan dijelaskan nanti.

"Respirasi seluler" dan "respirasi aerobik" sering digunakan secara bergantian ketika membahas metabolisme sel eukariotik. Telah dipahami bahwa glikolisis, meskipun proses anaerobik, hampir selalu berlanjut ke dua langkah respirasi seluler terakhir. Terlepas dari itu, untuk meringkas peran glukosa dalam respirasi seluler: Tanpanya, respirasi berhenti dan hilangnya kehidupan mengikuti.

Enzim adalah protein globular yang bertindak sebagai katalis dalam reaksi kimia. Ini berarti bahwa molekul-molekul ini membantu mempercepat reaksi yang jika tidak akan tetap berjalan tanpa enzim, tetapi jauh lebih lambat – kadang-kadang dengan faktor lebih dari seribu. Ketika enzim bekerja, mereka tidak berubah sendiri pada akhir reaksi, sedangkan molekul tempat mereka bekerja, yang disebut substrat, diubah oleh desain, dengan reaktan seperti glukosa diubah menjadi produk seperti CO₂.

Glukosa dan ATP memiliki kemiripan kimia satu sama lain, tetapi menggunakan energi yang tersimpan dalam ikatan molekul sebelumnya untuk menggerakkan sintesis molekul yang terakhir membutuhkan akrobat biokimia yang cukup besar di seluruh sel. Hampir setiap reaksi seluler dikatalisis oleh enzim tertentu, dan sebagian besar enzim spesifik untuk satu reaksi dan substratnya. Glikolisis, siklus Krebs dan rantai transpor elektron, digabungkan, menampilkan sekitar dua lusin reaksi dan enzim.

Ketika glukosa memasuki sel dengan berdifusi melalui membran plasma, glukosa segera terikat pada gugus fosfat (P), atau terfosforilasi. Ini menjebak glukosa dalam sel karena muatan negatif P. Reaksi ini, yang menghasilkan glukosa-6-fosfat (G6P), terjadi di bawah pengaruh enzim heksokinase. (Kebanyakan enzim diakhiri dengan "-ase," sehingga cukup mudah untuk mengetahui kapan Anda berurusan dengan satu di dunia biologi.)

Dari sana, G6P disusun ulang menjadi jenis gula terfosforilasi fruktosa, dan kemudian P lain ditambahkan. Segera setelah itu, molekul enam karbon dipecah menjadi dua molekul tiga karbon, masing-masing dengan gugus fosfat; ini segera menyusun diri menjadi zat yang sama, gliseraldehida-3-fosfat (G-3-P).

Setiap molekul G-3-P melewati serangkaian langkah penataan ulang untuk diubah menjadi molekul tiga karbon piruvat, menghasilkan dua molekul ATP dan satu molekul pembawa elektron berenergi tinggi NADH (direduksi dari nicotinamide adenine dinucleotide, atau NAD+) dalam proses tersebut.

Paruh pertama glikolisis mengkonsumsi 2 ATP dalam langkah-langkah fosforilasi, sedangkan paruh kedua menghasilkan total 2 piruvat, 2 NADH dan 4 ATP. Dalam hal produksi energi langsung, glikolisis sehingga menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa. Ini, untuk kebanyakan prokariota, mewakili batas efektif penggunaan glukosa. Pada eukariota, respirasi seluler glukosa baru saja dimulai.

Molekul piruvat kemudian bergerak dari sitoplasma sel ke bagian dalam organel yang disebut mitokondria, yang tertutup oleh membran plasma ganda mereka sendiri. Di sini, piruvat dipecah menjadi CO₂ dan asetat (CH₃COOH-), dan asetat ditangkap oleh senyawa dari kelas vitamin B yang disebut koenzim A (CoA) menjadi asetil KoA, zat antara dua karbon yang penting dalam berbagai reaksi seluler.

Untuk memasuki siklus Krebs, asetil KoA bereaksi dengan senyawa empat karbon oksaloasetat untuk membentuk garam sitrat. Karena oksaloasetat adalah molekul terakhir yang dibuat dalam reaksi Krebs serta substrat dalam reaksi pertama, rangkaian tersebut mendapatkan deskripsi "siklus". Siklusnya mencakup total delapan reaksi, yang mereduksi enam karbon sitrat menjadi molekul lima karbon dan kemudian menjadi serangkaian intermediet empat karbon sebelum tiba lagi di oksaloasetat.

Setiap molekul piruvat yang memasuki siklus Krebs menghasilkan dua CO. lagi₂, 1 ATP, 3 NADH dan satu molekul pembawa elektron yang mirip dengan NADH disebut flavin adenin dinukleotida, atau FADH₂.

• Siklus Krebs hanya dapat dilanjutkan jika rantai transpor elektron beroperasi di hilir untuk mengambil NADH dan FADH₂ itu menghasilkan. Jadi jika tidak ada oksigen yang tersedia untuk sel, siklus Krebs berhenti.

NADH dan FADH₂ pindah ke membran mitokondria bagian dalam untuk proses ini. Peran rantai adalah fosforilasi oksidatif molekul ADP menjadi ATP. Atom hidrogen dari pembawa elektron digunakan untuk membuat gradien elektrokimia melintasi membran mitokondria. Energi dari gradien ini, yang bergantung pada oksigen untuk akhirnya menerima elektron, dimanfaatkan untuk menggerakkan sintesis ATP.

Setiap molekul glukosa menyumbang 36 hingga 38 ATP melalui respirasi seluler: 2 dalam glikolisis, 2 dalam siklus Krebs dan 32 hingga 34 (tergantung pada bagaimana ini diukur di laboratorium) dalam transpor elektron rantai.