Respirasi Sel di dalam Biologi

 1 Respirasi sel

Respirasi secara harfiah di artikan sebagai proses pernafasan.  Namun dalam biologi, respirasi mempunyai pengertian yang lebih kompleks lagi apalagi jika di tambah kata seluler dibelakangnya hingga menjadi respirasi seluler atau respirasi sel. Respirasi sel adalah proses penguraian senyawa organik kompleks secara kimia dengan bantuan oksigen yang menghasilkan energi yang di gunakan untuk kegiatan  hidup makhluk hidup. Definisi respirasi sel dapat disederhanakan sebagai suatu proses oksidasi bahan makanan dalam sel tubuh untuk menghasilkan energi.  Respirasi sel adalah salah satu contoh dari proses katabolisme.

Respirasi sel menghasilkan energi dalam bentuk Adenosin trifosfat (ATP) yang merupakan sumber energi untuk seluruh kegiatan dan aktivitas makhluk hidup. Bahan baku yang digunakan dalah respirasi sel adalah sejenis gula yang dikenal dengan istilah gula heksosa. Proses respirasi sel terjadi dalam beberapa tahap. Tahap-tahap itu berfungsi untuk mengubah gula heksosa yang mempunyai rantai C6 menjadi C3, C2 dan C1. Hasil akhir dari  proses respirasi sel adalah CO2, H2O dan energi. Untuk mengubah gula heksosa menjadi CO2, H2O dan energi diperlukan 4 tahap reaksi.

Substrat Respirasi:

Substrat respirasi adalah setiap senyawa organik yang dioksidasikan dalam respirasi, atau senyawa-senyawa yang terdapat dalam sel tumbuhan yang secara relatif banyak jumlahnya dan biasanya direspirasikan menjadi CO2 dan air. Sedangkan metabolit respirasi adalah intermediat-intermediat yang terbentuk dalam reaksi-reaksi respirasi.

Substrat respirasi terdiri dari:

·         Karbohidrat merupakan substrat respirasi utama yang terdapat dalam sel tumbuhan tinggi.

·         Beberapa jenis gula seperti Glukosa, fruktosa dan sukrosa

·         Pati

·         Lipid

·         Asam-asam Organik

·         Protein (digunakan dalam keadaan dan spesies tertentu)

Bagian tumbuhan yang aktif melakukan respirasi yaitu bagian yang sedang tumbuh seperti:

·         Kuncup bunga

·         Tunas

·         Biji yang berkecambah

·         Ujung batang

·         Ujung akar

2 Tahapan Respirasi sel

Pengubahan glukosa menjadi CO₂ dan H₂O dapat dibagi menjadi empat tahapan yaitu glikolisis, reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif/oksidasi piruvat), siklus krebs, dan transport elektron.

2.2.1 Glikolisis

Glikolisis adalah rangkaian reaksi pengubahan molekul glukosa menjadi asam piruvat dengan menghasilkan NADH dan ATP. Sifat-sifat glikolisis adalah :

1.      Dapat berlangsung secara aerob maupun anaerob

2.      Dalam glikolisis terdapat kegiatan enzimatis, ATP (adenosin trifosfat), dan ADP (adenosin difosfat)

3.      ADP dan ATP berperan dalam pemindahan fosfat dari molekul satu ke molekul yang lain.

Glikolisis berlangsung di dalam protoplasma. Prosesnya adalah seperti berikut ini:

1.      Fosforilasi glukosa oleh ATP

Penambahan satu fosfat oleh ATP terhadap glukosa menghasilkan glukosa 6-fosfat, dan ATP berubah menjadi ADP. Peristiwa ini disebut fosforilasi yang berlangsung dengan bantuan enzim heksokiase dan ion Mg⁺⁺.

2.      Dan 3. Penyusunan kembali, diikuti dengan fosforilasi kedua. Hasil akhir dari           fosforilasi berupa fruktosa 1,6-bifosfat. Dari sinilah dimulai glikolisis.

4.      Dan 5. Glikolisis dimulai dari perubahan fruktosa 1,6-bifosfat yang memiliki 6 atom C menjadi 2 buah gliseraldehida 3-fosfat (memiliki 3 buah atom C) dan dihidroksiaseton fosfat. Pembongkaran ini dibantu oleh enzim aldolase.

1.      Oksidasi yang diikuti dengan fosforilasi, menghasilkan dua molekul NADH dan dua molekul BPG, yang masing-masing memiliki satu ikatan fosfat berenergi tinggi. 1,3-bifosfogliseraldehida diubah menjadi asam 1,3 –bifosfogliserat (BPG) dengan bantuan bantuan enzim dehydrogenase dan penambahan H_2.

2.      Pelepasan fosfat berenergi tinggi dari 1,3 bifosfogliserat yang kemudian bereksi dengan dua molekul ADP menghasilkan dua molekul ATP dan dua molekul 3-fosfogliserat. Asam 1,3-bifosfogliserat (BPG) berubah menjadi asam 3-fosfogliserat (3PG)  karena kehilangan satu fosfat. Proses ini berlangsung engan bantuan enzim fosfogliserokinase dan ion Mg⁺⁺.

3.      Dan 9. Pelepasan air menghasilkan dua molekul fofoenol piruvat yang masing-masing memiliki ikatan fosfat berenergi tinggi. Asam 3-fosfogliserat (3PG) diubah menjadi asam 2-fosfoeolgliserat (2PG) oleh enzim fosfogliseromutase. Kemudian, enzim enolase dan ion Mg⁺⁺ mengubah asam 2-fosfoenolgliserat (2PG) menjadi fosfoenolpiruvat (PEP).

10.  Pelepasan fosfat berenergi tinggi dari fosfoenolpiruvat (PEP) yag kemudian diterima oleh 2 molekul ADP menghasilkan 2 molekul ATP dan 2 mlekul piruvat. Proses ini dibantu oleh enzim piruvatkinase, ion Mg⁺⁺  dan K⁺ .

2.2.2        Reaksi Antara/ Oksidasi Piruvat

Glikolisis menghasilkan asam piruvat. Asam piruvat ini akan dioksidasi dan menghasilkan 1 dari 3 karbon pada asam piruvat (karbon hilang dalam bentuk CO₂ ). Reaksi ini menghasilkan fragmen berkarbon 2 yang disebut kelompok asetil dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH. Reaksinya melibatkan 3 tahap reaksi antara. Di akhir reaksi, kelompok asetil (fragmen berkarbon 2) bergabung dengan kofaktor koenzim A (KoA) sehingga membentuk senyawa asetil-KoA. Reaksinya sebagai berikut:

Reaksi ini menghasilkan molekul NADH yang akan digunakan untuk menghasilkan ATP. Hal yang lebih penting dari pengurangan NAD⁺ menjadi NADH adalah  dihasilkannya asetil-KoA.

        Pengubahan asam piruvat menjadi aseti-KoA merupakan persimpangan jalan untuk menuju berbagai biosintesis yang lain. Asetil-KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus krebs.

2.2.3        Siklus krebs

Siklus krebs berlangsung di matriks mitokondria. Fragmen berkarbon dua asetil-KoA memasuki siklus, dan 2 molekul  CO₂  serta 8 elektron dilepaskan dalam siklus tersebut. Siklus krebs terdiri atas 9 rangkaian reaksi sebagai berikut:

Reaksi 1:  Kondensasi

Gugus berkarbon 2, asetil-KoA, bergabung dengan molekul berkarbon 4, oksaloasetat, membentuk molekul berkarbon 6, yaitu sitrat. Reaksi ini tidak dapat balik (irreversible).

Reaksi 2 dan 3: Isomerasi

Supaya reaksi oksidasi dapat berlangsung, gugus hidroksil (-OH) pada sitrat harus diatur kembali. Ini terjadi melalui dua tahap. Pertama, moekul air dibuang melaui satu karbon. Kemudian air ditambahkan ke karbon yang berbeda. Hasilnya, gugus –H dan –OH bertukar posisi. Produknya adalah isomer sitrat yang disebut isositrat.

Reaksi 4: Oksidasi pertama

Isositrat mengalami reaksi dekarboksilasioksidatif. Mula-mula, isositrat dioksidasi, menghasilkan sepasang electron, dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH. Kemudian terjadi dekarboksilasi. Atom karbon membelah membentuk CO₂ , menghasilkan molekul berkarbon 5, yaitu α-ketoglutarat.

Reaksi 5: Oksidasi kedua

α-ketoglutarat didekarboksilasi oleh kompleks multienzim yang mirip dengan piruvat dehidroginase. 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 dihasilkan dua electron.

Reaksi 6: Fosforilasi

Ikatan antara gugus berkarbon 4 suksinil dan KoA adalah ikatan berenergi tinggi. Melalui reaksi yang mirip dengan yang terjadi pada glikolisis, ikatan ini memisah. Energy yang dilepaskan memicu fosforilasi guanosin difosfat (GDP) menjadi guanosin trifosfat (GTP). GTP siap dubah menjadi ATP. Fragmen berkarbon 4 yang terbentuk disebut suksinat.

Reaksi 7:  Oksidasi ketiga

Suksinat dioksidasi menjadi fumarat. Yang berperan sebagai penerima electron adalah flavin adenine dinukleotida (FAD). FAD merupakan bagian dari membrane dalam mitokondria. FAD melepaskan electron dan menjadi FADH₂.

Reaksi 8 dan 9: Pembentukan kembali oksaloasetat

Pada dua reaksi terakhir, molekul air ditambahkan pada fumarat untuk membentuk malat. Kemudian teroksidasi menghasilkan oksaloasetat berkarbon empat dan dua electron sehingga NAD⁺ berubah menjadi NADH. Oksaloasetat dapat bergabung dengan gugus asetil berkarbon dua, asetil-KoA, dan siklus kembali berulang.

Produk siklus krebs

Siklus Krebs menghasilkan 2 molekul ATP per molekul glukosa, sama dengan yang dihasilkan glikolisis. Siklus Krebs juga juga menghasilkan banyak electron yang dapat diberikan ke rantai transport electron untuk menyintesis lebih banyak ATP.

Siklus Krebs

2.2.4        Transpor elektron

Transpor elektron merupakan puncak tahap respirasi sel. Pada sistem tranpor electron, berlangsung pengepakan energy dari glukosa menjadi ATP.

Transpor electron

     Reaksi ini terjadi di dalam membran dalam mitokondria. Hidrogen dari siklus Krebs yang tergabung dalam FADH dan NADH, diubah menjadi electron dan proton. Sebagai pembawa electron adalah sejenis protein dan gugus yang dapat berkaitan dengan protein. Golongan ini mencakup NAD, FAD, (yang terikat dengan NADH dehydrogenase), ubikuinon, dan protein sitokrom.

     Pada system elekton ini, oksigen adalah akseptor electron yang terakhir. Setelah menerima electron, O₂ akan bereaksi dengan H⁺ membentuk H₂O.

Pada sel eukariot, glikolisis berlangsung di sitoplasma, sedangkan Siklus Krebs berlangsung di Mitokondria. Oleh karena itu, sel harus mentranspor dua molekul NADH yang dihasilkan pada glikolisis menyeberangi membrane mitokondria. Untuk tranpor satu molekul NADH melewati membrane mitokondria diperlukan satu ATP sehingga untuk 2 molekul NADH diperlukan 2 ATP. Dengan demikian, jumlah ATP yang dihasilkan dari glikolisis berkurang dua. Jadi, jumlah total ATP dari respirasi aerobik adalah 38 - 2 = 36 ATP.

2.2.5        Lintasan Pentosa Fospat

Lintasan reaksi yang berbeda dengan glikolisis dan Siklus Krebs ini disebut Lintasan Pentosa fosfat (LPF) karena terbentuk senyawa yang terdiri dari 5 atom karbon. Lintasan ini juga disebut sebagai Lintasan Fosfoglukonat. Berlangsung di sitosol.

Rangkaian reaksi: reaksi pertama pada LPF melibatkan glukosa-6-P( hasil penguraian pati oleh enzim fosforilase yang diikuti oleh enzim fosfoglukomutase pada glikolisis atau hasil penambahan fosfat terminal ATP pada glukosa atau hasil langsung reaksi fotosintesis). Glukosa-6-P segera dioksidasi(didehidrogenasi) oleh enzim dehidrogenase untuk membentuk senyawa 6-fosfogluko-nonlakton, yang kemudian dihidrolisis menjadi 6-fosfoglukonat oleh suatu enzim laktonase. Senyawa 6-fosfoglukonat kemudian mengalami dekarboksilasi oksidatif untuk menghasilkan ribulosa-5-P oleh enzim 6-fosfoglukonat dehidrogenase.

Reaksi-reaksi selanjutnya dari LPF akan menghasilkan pentose posfat. Reaksi- reaksi ini dipacu oleh enzimisomeras, epimerase, transketolase dan transaldolase

Fungsi LPF:

1.      Produksi NADPH, dimana senyawa ini kemudian dapat dioksidasi untuk menghasilkan ATP

2.      Terbentuknya senyawa erithrosa-4-P, dimana senyawa ini merupakan bahan baku esensial untuk pembentukan senyawa fenolik seperti sianin dan lignin

3.      Menghasilkan ribulosa-5-P yang merupakan bahan baku unit ribosa dan deoksiribosa pada nukleotida pada RNA dan DNA.

3        Jenis Respirasi Sel

2.3.1 Respirasi aerob

Respirasi aerob adalah suatu proses pernapasan yang membutuhkan oksigen dari udara. Pada umumnya, jika konsentrasi oksigen di udara menyimpang sedikit dari 20%, pengaruhnya terhadap respirasi tidak tampak. Hal ini tergantung juga dari jenis makhluk hidupnya. Ada beberapa jenis tumbuhan yang kegiatan respirasinya menurun apabila konsentrasi oksigen di udara berada di bawah normal, misalnya bayam, wortel, dan beberapa tumbuhan lainnya.

     Apabila konsentrasi oksigen dalam udara rendah sekali atau bahkan sama sekali tidak ada, bukan beraarti kegiatan respirasi terhenti. Respirasi masih berlangsung secara anaerob. Respirasi anaerob disebut pula fermentasi atau respirasi intramolekul. Tujuan fermentasi sama dengan respirasi aerob, yaitu mendapatkan energy. Hanya saja, energy yang dihasilkan dalam respirasi anaerob jauh lebih sedikit daripada respirasi aerob. Pada respirasi anaerob, hanya ada fase pertama, yaitu asam piruvat diubah menjadi alcohol. Perhatikan reaksi berikut ini:

Respirasi aerob :

C₆H₁₂O₆ à 6CO₂ + 6H₂O + 675 Kal + 38 ATP

Respirasi anaerob:

C₆H₁₂O₆  à 2 C₂H₅OH + 2CO₂ + 28 Kal + 2 ATP

Pernapasan anaerob dapat berlangsung di udara bebas, tetapi proses ini tidak menggunakan O₂ yang tersedia di udara. Pada respirassi aerob maupun anaerob, asam piruvat hasil proses glikolisismerupakan subtrat bagi reaksi lainnya.

2.3.2        Respirasi anaerob

Asam piruvat dalam respirasi anaerob (intramolekul) dapat mengalami perubahan menjadi etanol atau asam susu (asam laktat).

     Enzim dehidrogenase menjalankan dua fungsi sekaligus, yakni mengambil hidrogen dari zat satu serta menambahkan hidrogen ke zat lain. Zat yang memberikan hidrogen disebut donor dan zat yang menerima hidrogen disebut akseptor.

     Respirasi aerob melibatkan oksigen sebagai penerima hidrogen. Hidrogen yang dibebaskan dalam proses oksidasi harus bergabung dengan oksigen membentuk H₂O. Pada respirasi anaerob, hidrogen bergabung dengan produk antara (asam piruvat atau asetaldehida) membentuk asam susu (asam laktat) atau alcohol. Contohnya pada fermentasi alkohol dan cuka.

Pengubahan asam piruvat menjadi etanol:

Pengubahan asam piruvat menjadi asam susu (asam laktat):

CH₃CO.COOH + NAD.H₂                CH₃.CHOH.COOH + NAD⁺ + energi

4        Faktor-faktor yang mempengaruhi laju respirasi dan penghambat respirasi

Faktor-faktor yang mempengaruhi respirasi adalah suhu, kelembaban, ketersediaan jumlah dan jenis subsrat, ketersediaan O₂ (Salisbury, 1995)

Laju respirasi dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain:

1.      Ketersediaan substrat

Tersedianya substrat pada tanaman merupakan hal yang penting dalam melakukan respirasi. Tumbuhan dengan kandungan substrat yang rendah akan melakukan respirasi dengan laju yang rendah pula. Demikian sebliknya bila substrat yang tersedia cukup banyak maka laju respirasi akan meningkat.

2.      Ketersediaan Oksigen

Ketersediaan oksigen akan mempengaruhi laju respirasi, namun besarnya pengaruh tersebut berbeda bagi masing-masing spesies dan bahkan berbeda antara organ pada tumbuhan yang sama. Fluktuasi normal kandungan oksigen di udara tidak banyak mempengaruhi laju respirasi, karena jumlah oksigen yang dibutuhkan tumbuhan untuk berrespirasi jauh lebih rendah dari oksigen yang tersedia di udara.

3.      Suhu

Pengaruh faktor suhu bagi laju respirasi tumbuhan sangat terkait dengan faktor Q10, dimana umumnya laju reaksi respirasi akan meningkat untuk setiap kenaikan suhu sebesar 10oC, namun hal ini tergantung pada masing-masing spesies.

4.      Tipe dan umur tumbuhan

Masing-masing spesies tumbuhan memiliki perbedaan metabolsme, dengan demikian kebutuhan tumbuhan untuk berespirasi akan berbeda pada masing-masing spesies. Tumbuhan muda menunjukkan laju respirasi yang lebih tinggi dibanding tumbuhan yang tua. Demikian pula pada organ tumbuhan yang sedang dalam masa pertumbuhan.

Zat penghambat respirasi

Zat yang dapat menghambat proses respirasi yaitu

1.      sianida,

2.      fluoride,

3.      Iodo asetat,

4.      CO diberikan pd jaringan

5.      Eter, kloroform, aseton, formaldehida dapat menambah respirasi dlm waktu pendek.

5        Manfaat Respirasi pada Tumbuhan

Respirasi banyak memberikan manfaat bagi tumbuhan. Manfaat tersebut terlihat dalam proses respirasi dimana terjadi proses pemecahan senyawa organik, dari proses pemecahan tersebut maka dihasilkanlah senyawa-senyawa antara yang penting sebagai ”Building Block”. Building Block merupakan senyawa-senyawa yang penting sebagai pembentuk tubuh. Senyawa-senyawa tersebut meliputi asam amino untuk protein; nukleotida untuk asam nukleat; dan prazat karbon untuk pigmen profirin (seperti klorofil dan sitokrom), lemak, sterol, karotenoid, pigmen flavonoid seperti antosianin, dan senyawa aromatik tertentu lainnya, seperti lignin.

Telah diketahui bahwa hasil akhir dari respirasi adalah CO2 dan H2O, hal ini terjadi bila substrat secara sempurna dioksidasi, namun bila berbagai senyawa di atas terbentuk, substrat awal respirasi tidak keseluruhannya diubah menjadi CO2 dan H2O. Hanya beberapa substrat respirasi yang dioksidasi seluruhnya menjadi CO2 dan H2O, sedangkan sisanya digunakan dalam proses anabolik, terutama di dalam sel yang sedang tumbuh. Sedangkan energi yang ditangkap dari proses oksidasi sempurna beberapa senyawa dalam proses respirasi dapat digunakan untuk mensintesis molekul lain yang dibutuhkan untuk pertumbuhan.