Apa Fungsi Respirasi Aerobik?

Respirasi aerobik, istilah yang sering digunakan secara bergantian dengan "respirasi seluler", adalah cara yang sangat tinggi hasil bagi makhluk hidup untuk mengekstrak energi yang tersimpan dalam ikatan kimia senyawa karbon dengan adanya oksigen, dan menggunakan energi yang diekstraksi ini untuk digunakan dalam metabolisme proses. Organisme eukariotik (yaitu, hewan, tumbuhan, dan jamur) semuanya menggunakan respirasi aerobik, terutama karena adanya organel seluler yang disebut mitokondria. Beberapa organisme prokariotik (yaitu, bakteri) menggunakan jalur respirasi aerob yang lebih sederhana, tetapi secara umum, ketika Anda melihat "respirasi aerobik", Anda harus berpikir "eukariotik multiseluler" organisme."

Tapi itu tidak semua yang harus melompat ke dalam pikiran Anda. Berikut ini akan memberi tahu Anda semua yang perlu Anda ketahui tentang jalur kimia dasar respirasi aerobik, mengapa itu terjadi? serangkaian reaksi yang begitu penting, dan bagaimana semuanya dimulai selama proses biologis dan geologis sejarah.

Semua metabolisme nutrisi seluler dimulai dengan molekul glukosa. Gula enam karbon ini dapat diperoleh dari makanan di ketiga kelas makronutrien (karbohidrat, protein dan lemak), meskipun glukosa sendiri adalah karbohidrat sederhana. Dengan adanya oksigen, glukosa diubah dan dipecah dalam rantai sekitar 20 reaksi untuk menghasilkan karbon dioksida, air, panas, dan 36 atau 38 molekul adenosin trifosfat (ATP), molekul yang paling sering digunakan oleh sel di semua makhluk hidup sebagai sumber langsung bahan bakar. Variasi jumlah ATP yang dihasilkan oleh respirasi aerobik mencerminkan fakta bahwa sel tumbuhan terkadang memeras 38 ATP dari satu molekul glukosa, sementara sel hewan menghasilkan 36 ATP per glukosa molekul. ATP ini berasal dari penggabungan molekul fosfat bebas (P) dan adenosin difosfat (ADP), dengan hampir semua ini terjadi pada tahap akhir respirasi aerobik dalam reaksi transpor elektron electron rantai.

Reaksi kimia lengkap yang menggambarkan respirasi aerobik adalah:

C₆H₁₂HAI₆ + 36 (atau 38) ADP + 36 (atau 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kkal + 36 (atau 38) ATP.

Sementara reaksi itu sendiri tampak cukup sederhana dalam bentuk ini, itu memungkiri banyak langkah yang diperlukan untuk mendapatkan dari sisi kiri persamaan (reaktan) ke sisi kanan (produk, termasuk 420 kilokalori panas). Dengan konvensi, seluruh kumpulan reaksi dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan di mana masing-masing terjadi: glikolisis (sitoplasma), siklus Krebs (matriks mitokondria) dan rantai transpor elektron (mitokondria dalam) selaput). Namun, sebelum menjelajahi proses-proses ini secara rinci, lihatlah bagaimana respirasi aerobik dimulai di Bumi secara berurutan.

Fungsi respirasi aerobik adalah untuk memasok bahan bakar untuk perbaikan, pertumbuhan, dan pemeliharaan sel dan jaringan. Ini adalah cara yang agak formal untuk mencatat bahwa respirasi aerobik membuat organisme eukariotik tetap hidup. Anda bisa pergi berhari-hari tanpa makanan dan setidaknya beberapa tanpa air dalam banyak kasus, tetapi hanya beberapa menit tanpa oksigen.

Oksigen (O) ditemukan di udara normal dalam bentuk diatomiknya, O₂. Unsur ini ditemukan, dalam arti tertentu, pada tahun 1600-an, ketika menjadi jelas bagi para ilmuwan bahwa udara mengandung suatu unsur vital bagi kelangsungan hidup hewan, yang dapat habis di lingkungan tertutup oleh api atau, dalam jangka panjang, dengan pernafasan.

Oksigen merupakan sekitar seperlima dari campuran gas yang Anda hirup. Tapi tidak selalu seperti ini dalam 4,5 miliar tahun sejarah planet ini, dan perubahan dalam jumlah oksigen di atmosfer bumi dari waktu ke waktu telah diprediksi memiliki efek mendalam pada biologis evolusi. Untuk paruh pertama masa hidup planet saat ini, ada tidak oksigen di udara. Pada 1,7 miliar tahun yang lalu, atmosfer terdiri dari 4 persen oksigen, dan organisme uniseluler telah muncul. Pada 0,7 miliar tahun yang lalu, O₂ terdiri antara 10 dan 20 persen udara, dan organisme multiseluler yang lebih besar telah muncul. Pada 300 juta tahun yang lalu, kandungan oksigen telah meningkat menjadi 35 persen dari udara, dan dengan demikian, dinosaurus dan hewan yang sangat besar lainnya adalah norma. Kemudian, bagian udara dipegang oleh O₂ turun menjadi 15 persen sampai kembali naik ke tempat seperti sekarang ini.

Jelas dengan melacak pola ini saja yang tampaknya sangat mungkin secara ilmiah bahwa fungsi utama oksigen adalah membuat hewan tumbuh besar.

10 reaksi glikolisis sendiri tidak memerlukan oksigen untuk melanjutkan, dan glikolisis terjadi sampai batas tertentu pada semua makhluk hidup, baik prokariotik maupun eukariotik. Tetapi glikolisis adalah prekursor yang diperlukan untuk reaksi aerobik spesifik dari respirasi seluler, dan biasanya dijelaskan bersama dengan ini.

Begitu glukosa, molekul enam karbon dengan struktur cincin heksagonal, memasuki sitoplasma sel, ia segera terfosforilasi, artinya ia memiliki gugus fosfat yang melekat pada salah satu karbonnya. Ini secara efektif menjebak molekul glukosa di dalam sel dengan memberinya muatan negatif bersih. Molekul tersebut kemudian disusun kembali menjadi fruktosa terfosforilasi, tanpa kehilangan atau penambahan atom, sebelum fosfat lain ditambahkan ke molekul. Ini membuat molekul tidak stabil, yang kemudian terfragmentasi menjadi sepasang senyawa tiga karbon, masing-masing dengan fosfatnya sendiri yang melekat. Salah satunya diubah menjadi yang lain, dan kemudian, dalam serangkaian langkah, dua molekul tiga karbon melepaskan fosfatnya menjadi molekul ADP (adenosin difosfat) untuk menghasilkan 2 ATP. Molekul glukosa enam karbon asli berakhir sebagai dua molekul dari molekul tiga karbon yang disebut piruvat, dan sebagai tambahan, dua molekul NADH (dibahas secara rinci nanti) dihasilkan.

Piruvat, dengan adanya oksigen, bergerak ke dalam matriks (pikirkan "tengah") organel seluler disebut mitokondria dan diubah menjadi senyawa dua karbon, yang disebut asetil koenzim A (asetil CoA). Dalam prosesnya, sebuah molekul karbon dioksida (CO₂). Dalam prosesnya, sebuah molekul NAD⁺ (yang disebut pembawa elektron berenergi tinggi) diubah menjadi NADH.

Siklus Krebs, juga disebut siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat, disebut sebagai siklus daripada reaksi. karena salah satu produknya, molekul empat karbon oksaloasetat, memasuki kembali awal siklus dengan bergabung dengan molekul asetil KoA. Ini menghasilkan molekul enam karbon yang disebut sitrat. Molekul ini dimanipulasi oleh serangkaian enzim menjadi senyawa lima karbon yang disebut alfa-ketoglutarat, yang kemudian kehilangan karbon lain untuk menghasilkan suksinat. Setiap kali karbon hilang, itu dalam bentuk CO₂, dan karena reaksi ini menguntungkan secara energetik, setiap kehilangan karbon dioksida disertai dengan konversi NAD lain⁺ ke NAD. Pembentukan suksinat juga menciptakan molekul ATP.

Suksinat diubah menjadi fumarat, menghasilkan satu molekul FADH₂ dari FAD²⁺ (pembawa elektron mirip dengan NAD⁺ dalam fungsi). Ini diubah menjadi malat, menghasilkan NADH lain, yang kemudian diubah menjadi oksaloasetat.

Jika Anda menjaga skor, Anda dapat menghitung 3 NADH, 1 FADH₂ dan 1 ATP per putaran siklus Krebs. Tetapi perlu diingat bahwa setiap molekul glukosa memasok dua molekul asetil KoA untuk masuk ke dalam siklus, sehingga jumlah total molekul yang disintesis adalah 6 NADH, 2 FADH2₂ dan 2 ATP. Siklus Krebs dengan demikian tidak menghasilkan banyak energi secara langsung – hanya 2 ATP per molekul glukosa yang disuplai ke hulu – dan juga tidak diperlukan oksigen. Tetapi NADH dan FADH₂ kritis terhadap fosforilasi oksidatif langkah-langkah dalam rangkaian reaksi berikutnya, yang secara kolektif disebut rantai transpor elektron.

Berbagai molekul NADH dan FADH₂ dibuat pada langkah-langkah sebelumnya dari respirasi seluler siap digunakan dalam rantai transpor elektron, yang terjadi di lipatan membran mitokondria bagian dalam yang disebut krista. Singkatnya, elektron berenergi tinggi yang terikat pada NAD⁺ dan FAD²⁺ digunakan untuk membuat gradien proton melintasi membran. Ini hanya berarti bahwa ada konsentrasi yang lebih tinggi dari proton (H⁺ ion) di satu sisi membran daripada di sisi lain, menciptakan dorongan bagi ion-ion ini untuk mengalir dari area dengan konsentrasi proton yang lebih tinggi ke area dengan konsentrasi proton yang lebih rendah. Dengan cara ini, proton berperilaku sedikit berbeda dari, katakanlah, air yang "ingin" berpindah dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah. konsentrasi - di sini, di bawah pengaruh gravitasi alih-alih yang disebut gradien kemiosmotik yang diamati dalam transpor elektron rantai.

Seperti turbin di pembangkit listrik tenaga air yang memanfaatkan energi air yang mengalir untuk melakukan pekerjaan di tempat lain (dalam hal ini, menghasilkan listrik), sebagian energi yang dihasilkan oleh proton gradien melintasi membran ditangkap untuk melampirkan gugus fosfat bebas (P) ke molekul ADP untuk menghasilkan ATP, sebuah proses yang disebut fosforilasi (dan dalam hal ini, oksidatif). fosforilasi). Faktanya, ini terjadi berulang-ulang dalam rantai transpor elektron, sampai semua NADH dan FADH₂ dari glikolisis dan siklus Krebs - sekitar 10 dari yang pertama dan dua dari yang terakhir - digunakan. Ini menghasilkan penciptaan sekitar 34 molekul ATP per molekul glukosa. Karena glikolisis dan siklus Krebs masing-masing menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa, jumlah total jika energi dilepaskan, setidaknya dalam kondisi ideal, adalah 34 + 2 + 2 = 38 ATP seluruhnya.

Ada tiga titik berbeda dalam rantai transpor elektron di mana proton dapat melintasi membran mitokondria bagian dalam untuk memasuki ruang antara ini: kemudian dan membran mitokondria luar, dan empat kompleks molekul yang berbeda (bernomor I, II, III dan IV) yang membentuk titik jangkar fisik dari rantai.

Rantai transpor elektron membutuhkan oksigen karena O₂ berfungsi sebagai akseptor pasangan elektron terakhir dalam rantai. Jika tidak ada oksigen, reaksi dalam rantai dengan cepat berhenti karena aliran elektron "hilir" berhenti; mereka tidak punya tempat untuk pergi. Diantara zat yang dapat melumpuhkan rantai transpor elektron adalah sianida (CN^-). Inilah sebabnya mengapa Anda mungkin pernah melihat sianida digunakan sebagai racun mematikan dalam acara pembunuhan atau film mata-mata; ketika diberikan dalam dosis yang cukup, respirasi aerobik di dalam penerima berhenti, dan dengan itu, kehidupan itu sendiri.

Sering diasumsikan bahwa tumbuhan menjalani fotosintesis untuk menghasilkan oksigen dari karbon dioksida, sedangkan hewan menggunakan respirasi untuk menghasilkan karbon dioksida dari oksigen, sehingga membantu melestarikan ekosistem yang rapi, saling melengkapi keseimbangan. Meskipun ini benar di permukaan, itu menyesatkan, karena tanaman menggunakan fotosintesis dan respirasi aerobik.

Karena tumbuhan tidak bisa makan, mereka harus membuat, bukannya menelan, makanan mereka. Inilah gunanya fotosintesis, serangkaian reaksi yang terjadi di organel yang tidak dimiliki hewan yang disebut kloroplas. Didukung oleh sinar matahari, CO₂ di dalam sel tumbuhan dirakit menjadi glukosa di dalam kloroplas dalam serangkaian langkah yang menyerupai rantai transpor elektron di mitokondria. Glukosa kemudian dilepaskan dari kloroplas; sebagian besar jika menjadi bagian struktural tanaman, tetapi beberapa mengalami glikolisis dan kemudian melanjutkan melalui sisa respirasi aerobik setelah memasuki mitokondria sel tanaman.