Tahapan Respirasi Aerob

Tujuan utama respirasi untuk menghasilkan energi (ATP). Respirasi dapat melalui reaksi oksidasi yang diperantarai oksigen sehingga disebut respirasi aerob. Jika respirasi tidak menggunakan oksigen disebut, respirasi anaerob. Selain respirasi anaerob, pembentukan ATP tanpa oksigen dapat juga terjadi melalui fermentasi.

Energi kimia hasil respirasi berbentuk senyawa kimia yang disebut ATP. Berikut struktur ATP dan bagaimana energi di dalam molekul ATP dilepaskan.

Umumnya, respirasi aerob menggunakan substrat glukosa. Glukosa mempunyai rantai karbon 6 (C6) akan dipecah menjadi karbon dioksida yang memiliki 1 atom karbon (C1) dan air (H2O). Secara sederhana, reaksi kimia respirasi aerob ditulis sebagai berikut.

Meskipun reaksinya terlihat sederhana, proses pemecahan glukosa (C6) menjadi CO2 (C1) berlangsung secara bertahap. Perhatikan gambar berikut.

Tahapan respirasi aerob ada empat, yaitu glikolisis berlangsung di sitosol sitoplasma, dekarboksilasi oksidatif (oksidasi asam piruvat) berlangsung di matriks mitokondria, siklus Krebs (siklus asam sitrat) berlangsung di matriks mitokondria, dan transpor elektron berlangsung di membran krista mitokondria. Bagaimanakah urutan reaksi kimia pada masing-masing tahap dalam respirasi aerob? Marilah kita pelajari satu persatu.

1) Glikolisis

substrat atau bahan dalam glikolisis berupa glukosa (C6). Adapun tahapannya ada dua, yaitu tahapan investasi energi membutuhkan 2 ATP dan tahapan pembentukan energi dihasilkan 4 ATP. Artinya, ATP bersih yang dihasilkan pada glikolisis sebanyak 2 ATP. Adapun hasil utama glikolisis berupa 2 asam piruvat (2C3) dan hasil sampingnya berupa 2 ATP dan 2 NADH.

NADH merupakan koenzim yang terbentuk dari NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) yang mengikat elektron berenergi tinggi (e-) dan satu proton (H+) dari hasil reaksi pembongkaran ikatan kimia antara karbon dengan hidrogen pada senyawa 2 PGAL (Phospho Gliseraldehid). Pembentukan NADH dikatalisis oleh enzim dehidrogenase. Secara sederhana, glikolisis dapat digambarkan dalam bagan berikut.

Berdasarkan Gambar di atas, dapat dirumuskan bahwa glikolisis adalah peristiwa pemecahan satu molekul glukosa (6 atom C) menjadi 2 asam piruvat (3 atom C) yang berlangsung di sitosol sitoplasma dalam kondisi anaerob (tanpa oksigen) dengan hasil sampingan berupa 2 molekul NADH dan 2 molekul ATP.

2) Dekarboksilasi oksidatif

Selanjutnya, dua molekul asam piruvat (2C3), hasil utama glikolisis akan memasuki tahap dekarboksilasi oksidatif. Apa itu dekarboksilasi oksidatif? Apakah bahannya? Bagaimana tahapannya dan apa hasilnya?

substrat atau bahan dalam dekarboksilasi oksidatif berupa 2 asam piruvat (2C3). Adapun tahapannya ada dua. Pertama, tahap pelepasan gugus karboksil dari asam piruvat yang menghasilkan 2CO2 dan hasil sampingan 2NADH. Pembentukan 2CO 2 dikatalisis oleh enzim dekarboksilase dan pembentukan 2NADH dikatalisis enzim dehidrogenase.

Kedua, penambahan 2KoA pada 2 asam piruvat yang telah kehilangan gugus karboksilnya sehingga terbentuk 2 asetil KoA (2C2). Secara sederhana, dekarboksilasi oksidatif dapat digambarkan dalam bagan berikut.

Berdasarkan bagan di atas, dapat dirumuskan bahwa dekarboksilasi oksidatif adalah peristiwa pelepasan gugus karboksil dari asam piruvat (2C3) dan penambahan molekul KoA sehingga menghasilkan Asetil KoA (2C2) dalam suasana aerob yang berlangsung di matriks mitokondria dengan hasil samping berupa 2CO2 dan 2NADH.

3) Siklus Krebs atau siklus asam sitrat

Selanjutnya, dua molekul Asetil KoA (2C2), hasil utama dekarboksilasi akan memasuki tahap siklus Krebs. Apa itu siklus Krebs? Apakah bahannya? Bagaimana tahapannya dan apa hasilnya?

substrat atau bahan dalam siklus Krebs berupa 2 asetil KoA (2C2) yang terjadi dalam 5 tahapan utama, yaitu:

a. Pengikatan 2 asetil KoA oleh 2 oksaloasetat dengan penambahan 2H2O untuk membentuk 2 asam sitrat yang dikatalisis oleh enzim sitrat sintase.

b. Pelepasan satu ikatan karbon pada masing-masing asam sitrat setelah penambahan 2H2O untuk membentuk 2α ketoglutarat dengan melepaskan 2CO2 dan 2NADH. Pembentukan 2CO2 dikatalisis oleh enzim dekarboksilase dan pembentukan 2NADH dikatalisis enzim dehidrogenase.

c. Pelepasan satu ikatan karbon pada masing-masing 2α ketoglutarat untuk membentuk 2 suksinat dengan melepaskan 2CO2 dan 2ATP serta 2NADH dan pembentukan 2NADH dikatalisis enzim dehidrogenase

d. Perubahan 2 suksinat menjadi 2 malat setelah mengalami penambahan 2H2O dengan menghasilkan FADH2. Pembentukan FADH2 dikatalisis enzim dehidrogenase. FADH2 merupakan koenzim (FAD+ atau Flavo Adenine Dinucleotide) yang mengikat elektron berenergi tinggi (H2+) dan satu proton (e-) dari hasil reaksi pembongkaran ikatan kimia antara karbon dengan hidrogen pada 2 suksinat

e. Perubahan 2 malat menjadi 2 oksaloasetat melalui reaksi isomerase yang menghasilkan 2NADH. Pembentukan 2NADH dikatalisis enzim dehidrogenase.

Berdasarkan bagan di atas, dapat dirumuskan bahwa siklus Krebs adalah peristiwa pemecahan 2 asetil KoA (2C2) untuk menghasilkan 4CO2 (4C1) dalam suasana anaerob yang berlangsung di matrik mitokondria dengan hasil sampingan berupa 2ATP, 6NADH, dan 2FADH2.

4) Fosforilasi oksidatif: transpor elektron dan kemiosmosis

Transpor elektron merupakan tahap terakhir dalam respirasi aerob. Sebelumnya, pada tahap glikolisis dihasilkan 2 NADH, pada dekarboksilasi oksidatif dihasilkan 2NADH dan pada siklus Krebs dihasilkan 6NADH dan 2FADH 2. Dengan demikian, jumlah keseluruhan dari ketiga tahap tersebut dihasilkan 10NADH dan 2FADH 2. Selain itu, dihasilkan energi sebanyak 2 ATP pada glikolisis dan 2 ATP pada siklus Krebs. Dengan demikian, baru dihasilkan 4 ATP.

Selanjutnya, 10 NADH dan 2 FADH2 akan menjadi bahan utama dalam transpor elektron yang berlangsung di membran krista mitokondria dalam suasana aerob untuk dikonversi menjadi ATP. Agar kalian dapat memahami apakah transpor elektron dan berapakah energi yang dihasilkan, lakukan aktivitas berikut.

10 NADH dan 2 FADH 2 dikonversi menjadi ATP. Di mana setiap 1 molekul NADH akan dikonversi menjadi 3 ATP dengan menghasilkan 1 molekul air. Sementara itu, setiap 1 molekul FADH2 akan dikonversi menjadi 2 ATP dengan menghasilkan 1 molekul air.

Konversi energi diawali dari pemecahan ikatan hidrogen NADH dan FADH 2. Pelepasan ikatan hidrogen ini akan diikuti pemancaran energi yang akan dikonversi menjadi ATP melalui kemiosmosis pada membran krista mitokondria.

Kemiosmosis terjadi karena H+yang kaya energi dari hasil pemecahan dari NADH 2 dan FADH2 terus dipompa menuju ruang antarmembran yang menyebabkan konsentrasi H+ dalam ruang antarmembran meningkat. Selanjutnya, H+ berpindah menuruni gradien konsentrasinya dari ruang antarmembran kembali lagi ke matriks. Perpindahan ini hanya dapat melalui ATP sintase pada membran krista mitokondria. Aliran H+ melepaskan energi bagi ATP sintase untuk melakukan fosforilasi (penambahan gugus fosfat) pada ADP sehingga menghasilkan ATP.

Secara sederhana, berikut konversi energi dalam bentuk ATP dari 10NADH 2 dan 2FADH2.

Selanjutnya, 24H+ mendonorkan elektronnya ke oksigen sehingga terbentuk senyawa 12H2O. Pada kondisi ini, H+ sebagai donor elektron dan oksigen sebagai resipien elektron terakhir pada respirasi aerob.

Dengan demikian, tahap transpor elektron dengan bahan 10NADH2 dan 2FADH 2 menghasilkan 34 ATP dan 12H2O. Dengan mengacu hasil analisis di atas, dapat dirumuskan bahwa transpor elektron adalah peristiwa konversi energi dari 10NADH2 dan 2FADH2 yang berlangsung di membran krista mitokondria dalam suasana aerob dengan hasil utama 34 ATP dan hasil sampingan berupa 12H2O.

Berdasarkan uraian dari keempat tahap respirasi aerob dapat disimpulkan bahwa selama proses tersebut dihasilkan 38 ATP dengan rincian sebagai berikut.

sumber : Buku Biologi SMA/MA kelas XII,Kemdikbud Ristek RI