Respirasi Selular Katabolisme Karbohidrat

Pengertian Katabolisme. Katabolisme adalah proses penguraian atau pemecahan senyawa organik kompleks menjadi senyawa sederhana untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP ((Adenosin Tri Phosfat)).

Dalam proses katabolisme, terjadi pelepasan energi sebagai hasil pemecahan senyawa- senyawa organik kompleks tersebut. Contoh dari proses katabolisme adalah respirasi selular.

Berdasarkan perubahan energinya, reaksi kimia dapat dibedakan menjadi reaksi eksergonik dan reaksi endergonik.

Katabolisme merupakan reaksi eksergonik. Jika energi yang dilepaskan berupa panas, maka reaksinya disebut reaksi eksoterm. Adapun pada reaksi endergonik, terjadi penyerapan energi dari lingkungan.

Anabolisme termasuk reaksi endergonik karena memerlukan energi. Jika energi yang digunakan dalam bentuk panas, maka reaksinya disebut reaksi endoterm.

Pengertian Respirasi Selular

Respirasi selular diartikan sebagai reaksi oksidasi molekul berenergi tinggi untuk melepaskan energinya. Respirasi selular terjadi pada semua sel tubuh hewan maupun tumbuhan terutama di mitokondria.

Respirasi termasuk ke dalam kelompok katabolisme karena di dalamnya terjadi penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana, diikuti dengan pelepasan energi.

Pada respirasi selular, molekul glukosa (karbohidrat) dan bahan makanan lain diuraikan atau dipecah menjadi karbon dioksida (CO2), air (H2O), dan energi dalam bentuk ATP.

Berdasarkan keterlibatan oksigen dalam prosesnya, respirasi selular terbagi menjadi respirasi aerob dan respirasi anaerob.

Pengertian Respirasi Aerob

Respirasi aerob adalah respirasi yang membutuhkan oksigen untuk menghasilkan energi. Respirasi aerob disebut juga pernapasan, dan terjadi di paru-paru. Sedangkan, pada tingkat sel respirasi terjadi pada organel mitokondria.

Pengertian Respirasi Anaerob

Respirasi  anaerob adalah respirasi yang tidak membutuhkan oksigen untuk menghasilkan energi. Respirasi anaerob juga menggunakan glukosa sebagai substrat. Respirasi anaerob sering disebut juga fermentasi.

Organisme yang melakukan fermentasi di antaranya adalah bakteri dan protista yang hidup di rawa, lumpur, makanan yang diawetkan, atau tempat-tempat lain yang tidak mengandung oksigen.

Tahap Respirasi Selular

Proses Respirasi aerob dapat dibedakan menjadi empat tahap, yaitu: Glikolisis, Dekarboksilasi Oksidatif,  Daur (siklus) Krebs, dan Sistem Transfer Elektron. Gambar berikut dapat menjelaskan dengan lebih sederhana.

Tahap Respirasi Selular, Katabolime Karbohidrat
Tahap Respirasi Selular, Katabolime Karbohidrat

Glikolisis

Glikolisis adalah peristiwa pengubahan molekul glukosa (senyawa dengan 6 atom C) menjadi 2 molekul yang lebih sederhana, yaitu asam piruvat (senyawa dengan 3 atom C). Tahap ini merupakan awal terjadinya respirasi sel. Molekul glukosa akan masuk ke dalam sel melalui proses difusi. Glikolisis berlangsung dalam sitoplasma sel.

Produk utama dari proses glikolisis adalah dua asam piruvat, dua NADH dan dua ATP. Gambar berikut menjelaskan reaksi pada proses glikolisis secara sederhana dengan meniadakan sebagian reaksinya.

Reaksi Glikolisis Repirasi Selular pada Katabolisma Karbohidrat,
Reaksi Glikolisis Repirasi Selular pada Katabolisma Karbohidrat,

Proses pada gliolisis dapat dibagi menjadi dua tahap utama yaitu tahap yang membutuhkan energi disebut dengan istilah energy investment phase dan tahap yang menghasilkan energi disebut dengan energy payoff phase.

Fase Investasi Energy, Energy Investment Phase

Fasa investasi energi merupakan tahap perubahan glukosa menjadi gliseraldehid-3-fosfat (disingkat dengan PGAL) yang diaktifkan oleh energi ATP dengan bantuan beberapa Enzim. Jadi, reaksi hanya akan berlangsung jika ada energi dalam bentuk ATP.

Agar dapat bereaksi, glukosa diberi energi aktivasi berupa satu ATP. Hal ini mengakibatkan glukosa dalam keadaan terfosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat yang dibantu oleh enzim heksokinase.

Selanjutnya, glukosa-6-fosfat dipecah menjadi 2 buah molekul gliseraldehid-3-fosfat (PGAL) dengan bantuan satu ATP dan enzim fosfoheksokinase.

Fase Pembentukan Energy, Energy Payoff Phase

Pada tahap ini, terjadi pengubahan dua senyawa gliseraldehid 3-fosfat (PGAL) (3 atom C), menjadi dua senyawa asam piruvat (3 atom C). Konversi PGAL ke asam piruvat ini disertai dengan terbentuknya NADH (Nikotinamida Adenin Dinukleotida) dan ATP

Tahap glikolisis tidak membutuhkan oksigen atau reaksinya bersifat anaerob.

Dekarboksilasi Oksidatif dan Dehidrogenasi Asam Piruvat

Reaksi pembentukan asetil Co-A ini sering disebut sebagai reaksi transisi karena menghubungkan proses glikolisis dengan daur siklus Krebs. Reaksi Ini dikenal juga dengan istilah Link Reaction Atau Reaksi penghubung yaitu reakssi yang menghubungkan glikolisis dengan siklus Krebs.

Reaksi ini terjadi dua kali untuk satu molekul glukosa. Untuk dua asam piruvat pada reaksi Dekarboksilasi akan menghasilkan dua asetil Ko-A, dua NADH dan dua CO2.

Pembentukan asetil Co-A pada organisme eukariotik berlangsung dalam matriks mitokondria, sedangkan pada organisme prokariotik berlangsung dalam sitosol.

Gambar berikut dapat menjelaskan proses reaksi transisi pembentukan Aseti Co-A secara lebih sederhana.

Dekarboksilasi Oksidasi, Katabolisme Karbohidrat, Koenzim A
Dekarboksilasi Oksidasi, Katabolisme Karbohidrat, Koenzim A

Setiap asam piruvat tiga karbon akan terurai menjadi gugus asetil dua karbon dan CO2. Gas CO2 ini selanjutnya berdifusi ke luar sel. Gugus asetil bergabung dengan koenzim A (Co-A) membentuk asetil Ko-A. Hidrogen dan electron yang terlepas selama reaksi bergabung dengan koenzim NAD+ (Nikotinamide Adenin Dinukleotida) membentuk NADH. Koenzim A yang terlibat pada pembentukan asetil Ko-A ini merupakan turunan dari vitamin B.

Pada reaksi transisi ini asam piruvat mengalami reaksi dekarboksilasi dan reaksi dehidrogenasi. Akibat Dekarboksilasi asam piruvat mengalami pengurangan satu atom karbon dan akibat reaksi dehidrogenasi atau reaksi oksidasi asam piruvat melepas atom hydrogennya.

Satu karbon dari asam piruvat berubah bentuk menjadi CO2. Sedangan atom hidrogen yang dilepas asam piruvat ditangkap oleh akseptor electron NAD+ membentuk NADH.

Siklus Krebs – Siklus Asam Sitrat.

Siklus Krebs merupakan Tahap ketiga dari rangkaian respirasi aerob. Reaksi siklus Krebs berlangsung di kompartemen bagian dalam mitokondria. Reaksi untuk  dua piruvat pada siklus Krebs menghasikan 2 ATP, 6 NADH dan 2 FADH.

Gambar Berikut menjelaskan reaksi yang berlangsung pada siklus Krebs atau siklus asam sitrat dengan lebih sederhana.

Reaksi Siklus Krebs – Siklus Asam Sitrat Repirasi Selular pada Katabolisma Karbohidrat
Reaksi Siklus Krebs – Siklus Asam Sitrat Repirasi Selular pada Katabolisma Karbohidrat

Tahap ini dimulai dengan atom dua-karbon dari asetil Ko-A ditransfer sehingga bergabung dengan oksaloasetat empat-karbon dan membentuk asam sitrat 6-karbon. Karena reaksi pembentukan asam sitrat ini, siklus Krebs sering disebut sebagai Siklus Asam Sitrat.

Reaksi berikutnya adalah terbentuknya dua CO2 dari dua kali reaksi. Gas CO2 meninggalkan sel, diikuti dengan dua NAD+ menerima ion Hidrogen dan electron untuk membentuk dua NADH. Terbentuknya CO2 berarti telah terjadi pengurangan karbon dari dua senyawa intermediat. Masing senyawa intermediat kehilangan satu karbon.

Selanjutnya, Energi ATP terbentuk dalam fosforilasi tingkat substrat. Kemudian Koenzim FAD dan NAD+ menerima ion hydrogen dan electron membentuk FADH dab NADH.

Tahap akhir Rangkaian siklus Krebs atau Siklus sitrat ini ditandai dengan terbentuknya kembali oksaloasetat empat-karbon.

Catatan: reaksi siklus Krebs atau siklus asam sitrat ini berjalan dua kali untuk tiap molekul glukosa.  Karena Satu glukosa dikonversi menjadi dua asam piruvat. Untuk mempermudah pemahaman, maka beberapa tahap reaksi intermediat tidak dideskripsikan, namun secara keseluruhan masih dapat merepresentasikan siklus Krebs.

Sistem Transpor Atau Transfer Elektron

Tahap terakhir dari respirasi seluler aerob adalah sistem transfer atau transport elektron. Tahap Transfer electron terjadi pada ruang intermembran mitokondria (krista atau membrane dalam mitokrondria). Dan pada tahap transfer electron inilah dihasilkan energi dalam bentuk ATP yang paling banyak.

Selama tiga proses sebelumnya yaitu glikoliis, karboksilasi dan siklus Krebs, dihasilkan beberapa akseptor electron seperti NADH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) dan FADH (Flavin Adenine Dinucleotide) yang bermuatan akibat penambahan ion hydrogen dan elektron.

Akseptor akseptor ini kemudian akan masuk ke system atau rantai transfer elektron untuk membentuk suatu molekul berenergi tinggi, yakni ATP.

Gambar berikut dapat menjelaskan tahap Fosforilasi Transfer Electron

Sistem Transpor - Transfer Elektron, Fosforilasi Transfer Electron Katabolisme Karbohidrat
Sistem Transpor – Transfer Elektron, Fosforilasi Transfer Electron Katabolisme Karbohidrat

Sistem transpor elektron merupakan suatu rantai pembawa elektron yang terdiri atas NAD+, FAD+, koenzim Q, dan sitokrom. Sistem transpor elektron ini berfungsi untuk mengoksidasi senyawa NADH atau NADPH2 dan FADH2 untuk menghasilkan ATP.

Pada tahap ini, Sistem Rantai transpor electron menerima 10 NADH, 2 FADH2 dan 6 O2 yang kemudian dihasilkan 6 molekul air H2O dan 34 energi ATP.

Energi (ATP) dalam sistem transpor electron terbentuk melalui reaksi fosforilasi oksidatif. Energi yang dihasilkan oleh oksidasi 1 mol NADH atau NADPH2 dapat digunakan untuk membentuk 3 mol ATP. Reaksinya sebagai berikut.

NADH + H+ + 1/2 O2 + 3ADP + 3H3PO4 → NAD+ + 3ATP + 4H2O

Sementara itu, energi yang dihasilkan oleh oksidasi 1 mol FADH2 dapat menghasilkan 2 mol ATP.

Atom atom Hidrogen yang dilepaskan selama berlangsungnya siklus Krebs akan ditangkap oleh NAD+ dan FAD+ menjadi NADH dan FADH2. Pada saat masuk ke rantai transpor elektron, molekul tersebut mengalami rangkaian reaksi oksidasi-reduksi (Redoks) yang terjadi secara berantai dengan melibatkan beberapa zat perantara untuk menghasilkan ATP dan H2O.

Beberapa zat perantara dalam reaksi redoks, antara lain flavoprotein, koenzim A dan Q serta sitokrom yaitu sitokrom a, a3, b, c, dan c1. Semua zat perantara itu berfungsi sebagai pembawa hydrogen atau pembawa elektron (umumnya disebut juga dengan electron carriers).

Tahap Fosforilasi Transfer Electron

Tahap respirasi aerobic ke empat disebut juga sebagai fosforilasi transfer electron. Proses transfer electron ini terjadi dalam mitokondria. Istilah ini berarti ada aliran atau transpor electron melalui rantai transfer electron mitokondria, terutama untuk menghasilkan ikatan antara fosfat dan ADP sehingga terbentuk ATP.

Tahap fosforilasi dimulai dengan koenzim NADH dan FADH2 yang tereduksi pada dua tahap awal respirasi aerobic. Koenzim ini mendonasikan pasangan electron dan hydrogen ke rantai transfer electron di membrane mitokondria bagian dalam.

Dengan masuknya electron ke rantai transfer, maka electron melepas energinya sedikit demi sedikit. Energi yang dilepaskan electron ketika bergerak melalui rantai digunakan untuk mentransfer ion hydrogen menembus membrane dari kompartemen mitokondria dalam ke kompartemen mitokondria bagian luar.

Hai ini menyebabkan Ion hydrogen terakumulasi di kompartemen luar, sehingga terbentuk gradien konsentrasi hydrogen pada membrane mitokondria dalam.

Adanya Gradien konsentrasi ini akan menarik ion hydrogen kembali ke kompartemen mitokondria dalam. Namum ion hydrogen tidak dapat mengalir menembus membrane tanpa adanya bantuan.

Ion hydrogen dapat menembus membrane mitokrondria bagian dalam dengan bantuan ATP sintase interior. Jadi ATP ini menyebabkan ion hydrogen mengalir ke kompatemen mitokrondria dalam.

Adanya Aliran ion hydrogen yang kembali ke kompartemen dalam menyebabkan terjadinya ikatan antara gugus fosfat (Pi) dengan ADP sehingga terjadi pembentukan ATP.

Pada akhir rantai transfer electron mitokondria, oksigen menerima electron dan bergabung dengan ion hydrogen membentuk air H2O. Pada tahap akhir ini, oksigen berperilaku sebagai akseptor atau penerima electron terakhir pada jalur ini.

Contoh Soal Ujian Katabolisme Karbohidrat.

Daftar Pustaka:

  1. Starr, Cecie. Taggart, Ralph. Evers, Christine. Starr, Lisa, 2012, “Biologi Kesatuan dan Keragaman Makhluk Hidup”, Edisi 12, Buku 1, Penerbit Salemba Teknika, Jakarta.
  2. Fatehiyah. Arumingtyas, Laras, Estri. Widyarti, Sri. Rahayu, Sri, 2011, “Biologi Molekular, Prinsip Dasar Analisis”, PT Penerbit Erlangga Jakarta.
  3. Kimballl, J.W., Siti Soetarmi Tjitro dan Nawangsari Sugiri,1983, “Biologi”, Jilid 1, Edisi Kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  4. Kimballl, J.W., Siti Soetarmi Tjitro dan Nawangsari Sugiri. 1983, “Biologi”, Jilid 2, Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta.
  5. Schlegel, H.G., 1994, “Mikrobiologi Umum”, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
  6. Hartanto, L.N., 2004, “Biologi Dasar”, Edisi Ketiga, Penerbit Penebar Swadaya, Yogyakarta.
  7. Ardra.Biz, 2019, “Katabolisme Karbohidrat, Contoh  katabolisme, Fungsi ATP pada Metabolisme, Fungsi ATP pada Katabolisme, Fungsi ATP pada Respirasi Selular, Pengertian Respirasi Selular, Contoh Respirasi Selular,
  8. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian dan Contoh  reaksi eksergonik, Pengertian dan Contoh reaksi endergonik. Pengertian dan Contoh  respirasi aerob, Pengertian dan contoh respirasi anaerob, jenis jenis respirasi,
  9. Ardra.Biz, 2019, “Tempat Respirasi Aerob, Tempat Respirasi Anaerob, Fungsi Oksigen pada respirasi, Tahap Respirasi Selular, Pengertian Glikolisis, Contoh Glikolisis, Produk Glikolisis Glukosa, Tempat Terjadi Glikolisis,
  10. Ardra.Biz, 2019, “Fungsi Sitoplasma pada Glikolisis, Enzim pada glikolisis, koenzim glikolisis, Pengertian fosforilasi, Fungsi enzim fosfoheksokinase, Produk Glikolisis, Fungsi NADH pada Glikolisis, Dekarboksilasi Oksidatif, Dehidrogenasi Asam Piruvat, Fungsi Glikolisis,
  11. Ardra.Biz, 2019, “Fungsi Dekarboksilasi Oksidatif, Fungsi Dehidrogenasi Asam, Pengertian reaksi transisi, Contoh reaksi transisi, Contoh reaksi Dekarboksilasi, Tempat Dekarboksilasi Oksidatif, Gugus asetil Ko-A, Fungsi Koenzim A,
  12. Ardra.Biz, 2019, “Rumus Kimia Koenzim A, Contoh reaksi dehidrogenasi glikolisis,  Gambar glikolisis, gambar Dekarboksilasi Oksidatif,  Contoh Siklus Krebs, Pengertian Siklus Asam Sitrat, Fungsi Siklus Krebs Siklus Sitrat, Jumlah ATP glikolisis, Jumlaj NADH Glikolisis, Produk siklus krebs,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Fungi NAD dan Hidrogen pada siklus krebs, Fungsi Energi ATP fosforilasi tingkat substrat, Fungsi Koenzim FAD dan NAD, Sistem Transpor Elektron, Tempat Rantai Transfer Elektron, Tahap Transfer electron,
  14. Ardra.Biz, 2019, “Fungsi Rantai Transfer Elektron, Fungsi krista atau membrane dalam mitokrondria, contoh aksepter glikolisis, contoh akseptor siklus krebs, contoh akseptor rantai transfer electron, Fungsi koenzim Q sitokrom, Jumlah total  NADH FADH2 ATP pada katabolisme karbohidrat,
  15. Ardra.Biz, 2019, “Jumlah total  NADH FADH2 ATP pada respirasi selular, Fungsi dan contoh akseptor respirasi selular, Fungsi reaksi fosforilasi oksidatif, reaksi oksidasi-reduksi (Redoks) pada rantai transfer electron, tempat reaksi transfer electron, Fungsi zat perantara flavoprotein  koenzim A dan Q,
  16. Ardra.Biz, 2019, “Fungsi dan contoh electron carriers, Fosforilasi Transfer Electron,  Fungsi fosforilasi transfer electron, Tempat reaksi fosforilasi transfer electron, Gradien konsentrasi Hidrogen, Fungsi  ATP sintase interior, Fungsi electron pada rantai transfer electron, Fungsi gugus fosfat (Pi), pengertian dan contoh Link Reaction,