Memahami Langkah Langkah Respirasi Aerob

Respirasi merupakan proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energi. Respirasi dilakukan baik di waktu siang maupun waktu malam, berdasarkan bentuknya respirasi terbagi dua, yaitu respirasi eksternal (luar) dan internal (dalam). Respirasi eksternal merupakan proses pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida dan uap air antara makhluk hidup dengan lingkungannya, misalnya terjadi pada tumbuhan, hewan, dan manusia. Respirasi internal disebut juga pernafasan seluler karena pernafasan ini terjadi di dalam sel, yaitu di dalam sitoplasma dan mitokondria. 

Berdasarkan kebutuhan oksigen, respirasi internal dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dan respirasi anaerobik (tidak membutuhkan  oksigen). Pada artikel kali ini admin akan tentang langkah - langkah respirasi aerob.

Respirasi aerob merupakan serangkaian reaksi enzimatis yang mengubah glukosa secara sempurna menjadi CO₂, H₂O, dan menghasilkan energi sebesar 38 ATP. Pada pernapasan ini, pembebasan energi menggunakan oksigen bebas dari udara. Pada tumbuhan, oksigen yang dibutuhkan diperoleh dari udara melalui mulut daun dan lentisel. Zat organik terutama karbohidrat dipecahkan.

Pengubahan glukosa menjadi CO₂  dan H₂O dapat dibagi menjadi 4 tahap, yaitu glikolisis, reaksi antara (dekarbosilasi oksidatif/oksidasi piruvat), siklus Krebs, dan transfer elektron.

A. Glikolisis

Glikolisis adalah serangkaian reaksi enzimatis yang memecah glukosa (terdiri dari 6 atom C) menjadi asam piruvat (terdiri dari 3 atom C). Tahapan dalam reaksi glikolisis adalah sebagai berikut;

• Tahap 1: Fosforilasi glukosa oleh ATP - Glukosa yang masuk ke dalam sel mengalami fosforilasi dengan bantuan enzim heksokinase, mentransfer gugus fosfat dari ATP ke glukosa menghasilkan glukosa 6-fosfat. Reaksi ini memerlukan energi yang diperoleh dari perubahan ATP menjadi ADP.
• Tahap 2: Penyusunan kembali - Glukosa 6-fosfat disusun ulang dengan bantuan enzim fosfoglukoisomerase menjadi isomernya berupa fruktosa 6-fosfat.
• Tahap 3: Fosforilasi kedua - Dengan menggunakan energi dari hasil perubahan ATP menjadi ADP, fruktosa 6-fosfat diubah oleh enzim fosfofruktokinase menjadi fruktosa 1,6-bifosfat.
• Tahap 4: Glikolisis  - Disinilah dimulai glikolisis. Enzim aldolase menguraikan molekul gula menjadi dua gula berkarbon-tiga yang berbeda yaitu gliseraldehida 3 fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Kedua gula ini merupakan isomer satu sama lain.
• Tahap 5: Glikolisis - Enzim isomerase mengkatalisis perubahan bolak-balik (reversibel) antara kedua gula berkarbon tiga tersebut.
• Tahap 6: Oksidasi yang diikuti dengan fosforilasi - Masing-masing gliseraldehid fosfat berubah menjadi 1,3 bifosfogliserat dengan bantuan enzim triosefosfatdehidrogenase. Dalam tahap ini juga terjadi transfer electron sehingga NAD⁺ berubah menjadi NADH, serta pengikatan fosfat anorganik yang selalu ada dalam sitosol.
• Tahap 7: Pelepasan fosfat berenergi tinggi oleh dua molekul ADP menghasilkan dua molekul ATP dan 2 molekul 3-fosfogliserat - Terjadi perubahan 1,3 bifosfogliserat menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan enzim fosfogliserokinase. Pada tahap ini juga terjadi pembentukan 2 molekul ATP dengan menggunakan gugus fosfat yang sudah ada pada reaksi sebelumnya.
• Tahap 8: Relokasi gugus fosfat yang tersedia - Terjadi perubahan 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat karena enzim fosfogliseromutase memindahkan gugus fosfatnya.
• Tahap 9: Pelepasan air - Enzim enolase dan ion mg⁺⁺ mengubah asam 2 fosfogliserat menjadi fosfoenolpiruvat (PEP) dan pembebasan 2 molekul air. 
• Tahap 10: Pelepasan fosfat berenergi tinggi oleh dua molekul ADP menghasilkan 2 molekul ATP dan 2 molekul piruvat - 2-fosfoenol piruvat berubah menjadi asam piruvat dengan bantuan enzim piruvatkinase. Reaksi terakhir glikolisis ini menghasilkan lagi ATP dengan mentransfer gugus fosfat dari PEP ke ADP.

B. Reaksi antara/oksidasi piruvat

Dalam reaksi ini, piruvat dioksidasi (dekarboksilasi oksidatif) menjadi Asetil-KoA, yang terjadi di dalam matriks mitokondria.Asam piruvat ini akan dioksidasi dan menghilangkan 1 dari 3 karbon pada asam piruvat (karbon hilang dalam bentuk CO₂). Reaksi ini mnghasilkan fragmen berkarbon 2 yang disebut kelompok Asetil dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH. Reaksi ini kompleks, melibatkan 3 tahap reaksi antara. Diakhir reaksi, kelompok asetil (fragmen berkarbon 2) bergabung dengan kofaktor koenzim A (KoA) sehingga membentuk senyawa asetil KoA. Perhatikan gambar di bawah ini.

Setelah memasuki mitokondria, piruvat mula-mula diubah menjadi suatu senyawa yang disebut asetil CoA. Protein yang ada di dalam membrane dalam mitokondria mentranslokasi piruvat dari sitosol ke dalam matriks mitokondria. Kemudian, (1) gugus karboksil piruvat, yang telah dioksidasi sepenuhnya, dikeluarkan sebagai molekul CO₂, yang berdifusi keluar dari sel. (2) Fragmen berkarbon dua yang tersisa dioksidasi untuk membuat senyawa asetat (bentuk asam asetat terionisasi), sementara NAD⁺ direduksi menjadi NADH. (3) Akhirnya, koenzim A, senyawa mengandung sulfur turunan dari vitamin B. diikatkan pada asetat tadi oleh ikatan tak stabil yang membuat gugus asetil (asetat terikat) sangat reaktif. Selanjutnya asetil CoA, siap memberikan asetatnya ke dalam siklus Krebs untuk dioksidasi lebih lanjut. Pengubahan asam piruvat menjadi asetil- KoA merupakan persimpangan jalan untuk menuju berbagai Biosintesis yang lain. Asetil KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus Krebs. Perhatikan reaksi perubahan asam piruvat menjadi Asetil CoA pada gambar dibawah ini (Campbell, 20011). 

C. Siklus Krebs

Siklus Krebsadalah reaksi antara asetil KoA dengan asam oksaloasetat, yang kemudian membentuk asam sitrat.Siklus Krebs Siklus Krebs adalah proses utama kedua dalam reaksi pernafasan sel. Siklus ini ditemukan oleh Hans Krebs (1900-1981). Siklus Krebs disebut juga dengan siklus asam sitrat, karena menggambarkan langkah pertama dari siklus tersebut. Tahapan Reaksi dalam siklus Krebs terjadi di mitokondria dengan menggunakan bahan utama berupa asetil-CoA, yang dihasilkan dari proses dekarboksilasi oksidatif.

Ada delapan tahapan utama yang terjadi selama siklus Krebs.

Tahap 1: Kondensasi - Kondensasi merupakan reaksi penggabungan molekul asetil-CoA dengan oksaloasetat membentuk asam sitrat.Enzim yang bekerja dalam reaksi ini adalah enzim asam sitrat sintetase. Reaksi ini tidak dapat balik (irreversibel).

Tahap 2: Isomerase sitrat - Agar reaksi oksidasi dapat berlangsung, gugus hidroksil (-OH) pada sitrat harus diatur kembali.Hal ini terjadi melalui dua tahap, pertama, molekul air dibuang dari satu karbon, Tahapan ini dibantu oleh enzim aconitase, yang menghasilkan isositrat.

Tahap 3: Produksi CO₂ - Isositrat mengalami reaksi dekarboksilasi oksidatif (oksidasi pertama).Pertama isositrat dioksidasi, menghasilkan sepasang elektron, dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH.Dengan bantuan NADH, enzim isositrat dehidrogenase akan mengubah isositrat menjadi alfa-ketoglutarat. Satu molekul CO₂ dibebaskan setiap satu reaksi.

Tahap 4: Dekarboksilasi oksidatif kedua - Tahapan reaksi ini mengubah alfa-ketoglutara menjadi suksinil-CoA.Reaksi dikatalisasi oleh enzim alfa-ketoglutarat dehidrogenase yang merupakan enzim kompleks multienzim mirip dengan piruvat dehidrogenase. Setelah CO₂ terbuang, yang tersisa adalah gugus suksinil yang bergabung dengan koenzim A membentuk suksinil KoA. Dalam proses tersebut, terjadi reduksi NAD₊ menjadi NADH dan menghasilkan dua electron.

Tahap 5: Fosforilasi tingkat substrat - Respirasi seluler juga menghasilkan ATP dari tahapan ini. Reaksi pembentukan ATP inilah yang dinamakan dengan fosforilasi, karena satu gugus fosfat akan ditambahkan ke ADP menjadi ATP. Pada awalnya, suksinil-CoA akan diubah menjadi suksinat, dengan mengubah GDP + Pi menjadi GTP. GTP tersebut akan digunakan untuk membentuk ATP. 

Tahap 6: Dehidrogenasi - Suksinat yang dihasilkan dari proses sebelumnya akan didehidrogenasi menjadi fumarat dengan bantuan enzim suksinat dehidrogenase. Yang berperan sebagai penerima electron adalah flavin adenine dinukleotida (FAD). FAD merupakan bagian dari membrane dalam mitokondria. FAD melepaskan electron dan menjadi FADH₂.

Tahap 7-8: Hidrasi dan regenerasi oksaloasetat - Dua tahapan ini merupakan akhir dari Siklus Krebs.Hidrasi merupakan penambahan atom hidrogen pada ikatan ganda karbon (C=C) yang ada pada fumarat sehingga menghasilkan malat. Malat dehidrogenase mengubah malat menjadi oksaloasetat berkarbon empat dan dua electron sehingga NAD⁺ berubah menjadi NADH.Oksaloasetat yang dihasilkan berfungsi untuk menangkap asetil-CoA, sehingga siklus Krebs akan terus berlangsung. 

Adapun hasil dari Siklus Krebs adalah ATP, FADH₂, NADH dan CO₂. Siklus akan menghasilkan 2 molekul CO₂, yang dilepaskan. Jumlah molekul NADH yang dihasilkan adalah 6 molekul, sedangkan FADH adalah 2 molekul. ATP yang diproduksi secara langsung ada sebanyak 2 molekul, yang merupakan hasil dari reaksi fosforilasi tingkat substrat. FADH₂ dan NADH adalah molekul yang digunakan dalam tahapan transpor elektron. Setiap molekul NADH akan dioksidasi lewat transpor elektron sehingga menghasilkan 3 ATP per molekul, sedangkan satu molekul FADH₂ menghasilkan 2 molekul ATP. Untuk lebih ringkasnya tentang tahapan Siklus Krebs dapat dilihat pada gambar dibawah ini (Campbell, 2011).

D. Transfer Elektron

Transpor elektron terjadi di membran dalam mitokondria, dan berakhir setelah elektron dan H⁺ bereaksi dengan oksigen yang berfungsi sebagai akseptor terakhir, membentuk H₂O. ATP yang dihasilkan pada tahap ini adalah 32 ATP. Reaksinya kompleks, tetapi yang berperan penting adalah NADH, FAD, dan molekul-molekul khusus, seperti Flavo protein, ko-enzim Q, serta beberapa sitokrom. Dikenal ada beberapa sitokrom, yaitu sitokrom C1, C, A, B, dan A3. Elektron berenergi pertama-tama berasal dari NADH, kemudian ditransfer ke FMN (Flavine Mono Nukleotida), selanjutnya ke Q, sitokrom C1, C, A, B, dan A3, lalu berikatan dengan H yang diambil dari lingkungan sekitarnya. Sampai terjadi reaksi terakhir yang membentuk H₂O Secara sederhana, reaksi transpor elektron dituliskan:

₂₄e^- + ₂₄H⁺ + ₂₄O₂ = ₂₄H₂O

Jadi, hasil akhir proses ini terbentuknya 32 ATP dan H₂O sebagai hasil sampingan respirasi. Produk sampingan respirasi tersebut pada akhirnya dibuang ke luar tubuh, pada tumbuhan melalui stomata dan melalui paru-paru pada pernapasan hewan tingkat tinggi.