Respirasi sel

  Didalam setiap sel hidup terjadi proses metabolism. Salah satu proses tersbut adalah katabolisme. Katabolisme disebut pula disimilasi, karena dalam proses ini energy yang tersimpan ditimbulkan kembali atau dibongkar untuk menyelenggarakan proses – proses kehidupan .katabolisme. Proses utama dari katabolisme adalah respirasi seluler. Pada proses respirasi seluler, glukosa dan bahan organik lainnya dirombak menjadi karbob dioksida dan air. Sebaliknya, anabolisme memakai energi untuk membangun molekul kompleks dari molekul-molekul yang lebih sederhana. Salah satu contoh anabolisme adalah sintesis protein dan asa amino.

1. Katabolisme

Katabolisme adalah reaksi penguraiann senyawa yang kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan enzim. Penguraian suatu senyawa dapat menghasilkan energi. Energi itu berasal dari terlepasnya ikatan-ikatan kimia yang menyusun suatu persenyawaan. Semakain kompleks perseyawaan kimia itu, semakin banyak ikatan kimia yang menyusunnya dan akan semakin besar energi yang dilepaskannya. Akan tetapi, energi itu tidak dapat digunakan secara langsung oleh sel. Energi itu diubah terlebih dahulumenjadi persenyawaan adenosin trifosfat (ATP) yang dapat digunakan oleh sel sebagai sumber energi terpakai.

Contoh katabolisme adalah proses pernapasan sel atau respirasi, yaitu proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energi. Respirasi dilakukan olehh semua sel penyusun tubuh, baik sel-sel tumbuhan maupun sel hewan dan manusia. Ditinjau dari kebutuhannya akan oksigen, respirasi dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu:

1. Respirasi aerobik, yaitu respirasi yang menggunakan oksigen bebeas untuk mendapatkan energi.
2. Respirasi anaerobik,yaitu respirasi yang tidak membutuhkan oksigen bebas untuk mendapatkan energi

Bahan baku respirasi adalah karbohidrat, asam lemak, atau protein (asam amino). Hasil respirasi berupa karbon dioksida, air, energi dalam bentuk ATP.

1. Respirasi aerobik

Persamaan reaksi proses respirasi aerobik (aerob) secara sederhana dapat dituliskan sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆6O₂ 6H₂O + 6CO₂ + 675 kkal

Dalam kenyataan reaksi yang terjadi tidak sesederhana itu. Banyak tahapan reaksi yang terjadi dari awal hingga terbentuknya energi. Proses respirasi aerob dibagi dalam tiga tahapan, yaitu glikolisis, siklus krebs, dan transfer elektron.

Glikolisis

       Adalah rangkaian reaksi pengubahan molekul glukosa menjadi asam piruvat dengan menghasilkan NADH dan ATP.

Sifat – sifat glikolisis ialah:

a. Dapat berlangsung secara aerob maupun anaerob

b. Dalam glikolisis terdapat kegiatan enzimatis dan AdenosineTrifosfat (ATP) serta Adenosine Difosfat (ADP)

c. ADP dan ATP berperan dalam pemindahan fosfat dari molekul satu ke molekul lainnya. 

Pertama-tama, glukosa mendapat tambahan satu gugus fosfat dari satu molekul ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, membentuk glukosa 6-fosfat. Setelah itu, glukosa 6-fosfat diubah oleh enzim menjadi isomernya, yaitu fruktosa 6-fosfat. Satu molekul ATP yang lain memberikan satu gugus fosfatnya kepada fruktosa 6-fosfat, yang membuat ATP tersebut menjadi ADP dan fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Kemudian, fruktosa 1,6-difosfat dipecah menjadi dua senyawa yang saling isomer satu sama lain, yaitu dihidroksi aseton fosfat dan PGAL (fosfogliseraldehid atau gliseraldehid 3-fosfat). Tahapan-tahapan reaksi diatas itulah yang disebut dengan fase investasi energi. 

Selanjutnya, dihidroksi aseton fosfat dan PGAL masing-masing mengalami oksidasi dan mereduksi NAD+, sehingga terbentuk NADH, dan mengalami penambahan molekul fosfat anorganik (Pi) sehingga terbentuk1,3-difosfogliserat. Kemudian masing-masing 1,3-difosfogliserat melepaskan satu gugus fosfatnya dan berubah menjadi 3-fosfogliserat, dimana gugus fosfat yang dilepas oleh masing-masing 1,3-difosfogliserat dipindahkan ke dua molekul ADP dan membentuk dua molekul ATP. Setelah itu, 3-fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi 2-fosfogliserat. Setelah menjadi 2-fosfogliserat, sebuah molekul air dari masing-masing 2-fosfogliserat dipisahkan, menghasilkan fosfoenolpiruvat. Terakhir, masing-masing fosfoenolpiruvat melepaskan gugus fosfat terakhirnya, yang kemudian diterima oleh dua molekul ADP untuk membentuk ATP, dan berubah menjadi asam piruvat. (lihat bagan)

Setiap pemecahan 1 molekul glukosa pada reaksi glikolisis akan menghasilkan produk kotor berupa 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NADH, 4 molekul ATP, dan 2 molekul air. Akan tetapi, pada awal reaksi ini telah digunakan 2 molekul ATP, sehingga hasil bersih reaksi ini adalah 2 molekul asam piruvat (C₃H₄O₃), 2 molekul NADH, 2 molekul ATP, dan 2 molekul air. Perlu dicatat, pencantuman air sebagai hasil glikolisis bersifat opsional, karena ada sumber lain yang tidak mencantumkan air sebagai hasil glikolisis.

Siklus Krebs

Nama krebs diambil dari Hans Krebs, ilmuan Jerman-Inggris yang menemukan siklus ini. Sebelum berlangsung siklus krebs, asam piruvat (3C) yang merupakan hasil akhir dari glikolisis diubah terlebih dahulu menjadi asetil KoA (2C) melalui dekarboksilasi oksidatif.

Memasuki siklus krebs, asetil KoA direaksikan dengan asam oksaloasetat (4C)menjadi asam sitrat (6C). Selanjutnya, asam sitrat memasuki daur menjadi berbagai macam zat yang akhirnya kembali menjadi asam oksaloasetat dengan melepaskan CO₂. Pada tiap tahapan, dilepaskan energi dalam bentuk ATP dan hidrogen. ATP yang dihasilkan langsung dapat digunakan. Sebaliknya, hidrogen berenergi digabungkan dengan penerimaan hidrogen (akseptor hidrogen) yaitu NAD⁺ dan FAD, untuk dibawa ke sistem transfor elektron.

Pada siklus Krebs, sebagian besar energi disimpan dalam NADH, yaitu sebanyak 6 molekul. Selain NADH, pada satu tahap, energi dihasilkan dalam FADH₂ (flavin adenin dinuklotida hidrogen). Satu tahap dalam siklus Krebs juga menghasilkan 2 ATP secara langsung. Seluruh reaksi siklus Krebs berlangsung dengan memerlukan oksigen bebas (aerobik). Siklus krebs berlangsung di dalam mitokondria.

Transfer Elektron

Energi yang terbentuk dari peristiwa glikolisis dan siklus Krebs ada dua macam. Pertama, dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi, yaitu ATP atau GTP (guanosin trifosfat). Energi in merupakan energi siap pakai yang langsung dapat digunakan. Kedua, dalam bentuk sumber elektron, yaitu NADH dan FAD (flavin adenin dinukleotida) dalam bentuk FADH₂. Kedua macam sumber elektron ini dibawa ke sistem transfor elektron.

Proses transfos elektren ini sangat kompleks. Pada dasarnya, elektron dan H⁺ dari NADH dan FADH₂ dibawa darai satu subtrat ke substrat lain secara berantai. Pembawa elektron dalam transfor elektron antara lain protein besi-sulfur (Fe.S) dan sitokrom. Selain itu terdapat pula senyawa ubikuinon yang bukan protein. Setiap kali dipindahkan, energi yang terlepas digunakan untuk mengikat fosfat anorganik (P) ke molekul ADP sehingga terbentuk ATP. Pada bagian akhir terdapat (O₂) sebagai penerima (akseptor), sehinga terbentuk H₂O.

Jadi, dari keseluruhan proses katabolisme 1 glukosa melalui respirasi aerobik, dihasilkan 38 ATP, dengan perincian sebagai berikut:

Glikolisis         : 2 NADH + 2 ATP             = 8 ATP

Oksidasi dari piruvat     : 2 NADH (atau 6 ATP)         = 6 ATP

Siklus Krebs         : 6 NADH + 2 FADH + 2 ATP     = 24 ATP

                                 38 ATP

Kesimpulan:

Berdasarkan artikel diatas dapat beberapa poin kesimpulan diantaranya:

1.   Metabolisme dibagi dalam dua katagori yaitu katabolisme dan anabolisme. Contoh katabolisme adalah proses respirasi. Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi dibedakan menjadi dua macam:

·      Respirasi aerobik

·      Respirasi anaerobik

2.   Pada proses respirasi aerob dibagi dalam tiga tahapan, yaitu glikolisis, siklus krebs, dan transfor elektron.

3.   Keseluruhan proses katabolisme 1 glukosa melalui respirasi aerobik, dihasilkan 38 ATP, dengan perincian sebagai berikut:

Glikolisis                      : 2 NADH + 2 ATP                           =  8 ATP

Oksidasi dari piruvat    : 2 NADH (atau 6 ATP)                     =  6 ATP

Siklus Krebs                 : 6 NADH + 2 FADH + 2 ATP         = 24 ATP

                                                                                                38 ATP

2.      Respirasi anaerob

Respirasi anaerob dapat pula disebut fermentasi atau respirasi intramolekul. Tujuan fermentasi sama dengan respirasi aerob, yaitu mendapatkan energy. Hanya saja energi yang dihasilkan jauh lebih sedikit dari respirasi aerob.

Perhatikan reaksi dibawah ini!

Respirasi aerob :

C₆H₁₂O₆ ---- 6 CO₂ + 6 H₂O + 675 kal + 38 ATP

Respiasi anaerob:

C₆H₁₂O_{6 ------}  2 C₂H₅OH + 2CO₂ + 21 kal + 2 ATP

Pernapasan anaerob dapat berlangsung didalam udara bebas, tetapi proses ini tidak menggunakan O2 yang disediakan di udara. Fermentasi sering pula disebut sebagai peragian alcohol atau alkoholisasi.

Pada respirasi aerob maupun anaerob, asam piruvat hasil proses glikolisis merupakan substrat. 

Asam piruvat dalam respirasi anaerob

 

Asam piruvat dalam respirasi aerob

Pembongkaran sempurna terjadi pada oksidasi asam piruvat dalam respirasu aerob. Dari proses ini dihasilkan CO₂ dan H₂O serta energy yang lebih banyak , yaitu 38 ATP.

 

Sitoskeleton

Sitoskeleton (sitos “cairan sel” dan keleton “rangka”) merupakan struktur intraseluler yang ditemukan pada seluruh sel eukaryote dan beberapa sel prokaryote (bakteri). Sitoskeleton ini memberi bentuk pada sel. Sitoskeleton atau kerangka sel ini adalah jaring berkas-berkas protein yang menyusun sitoplasma eukariota. Jaring-jaring ini terdiri dari tiga tipe dasar, yaitu mikrofilamen, mikrotubulus (jamak: mikrotubuli), dan intermediat filamen. Ketiga filamen ini terhubung satu sama lain dan saling berkoordinasi. Dengan adanya sitoskeleton, sel dapat memiliki bentuk yang kokoh, berubah bentuk, mampu mengatur posisi organel, berenang, serta merayap di permukaan.

 

Sitoskeleton dan strukturnya yang dinamis memungkinkannya terlibat langsung dalam pengorganisasian struktur dan berbagai aktifitas sel di antaranya :

·         Sitoskeleton memberi dukungan mekanis sel dan dapat berperan sebagai rangka sel dan membentuk ketahanan sel.

·         Pergerakan sel

·         Tempat bergantungnya berbagai macam organel didalam sel

·         Pergerakan materi-materi dan organel dalam sel

·         Mengatur aliran sitoplasma

·         Memanipulasi membrane plasma untuk membentuk vakuola makanan

·         Kompenen penting dalam pembelahan sel

·         Pengatur aktifitas biokimia sel

·         Mengantarkan sinyal-sinyal mekanis dari luar kedalam sel

1. Mikrotubula

Mikrotubulus atau mikrotubula adalah tabung yang disusun dari mikrotubulin. bersifat lebih kokoh dari aktin, mikrotubulus mengatur posisi organel di dalam sel. Mikrotubulus dibagi menjadi dua, yaitu mikrotubulus singlet dan mikrotubulus doublet. Mikrotubulus memiliki dua ujung, yaitu ujung negatif yang terhubung dengan pusat pengatur mikrotubulus, dan ujung positif yang berada di dekat membran plasma. Organel dapat meluncur di sepanjang mikrotubulus untuk mencapai posisi yang berbeda di dalam sel, terutama saat pembelahan sel.

 Pengelompokan mikrotubulus

Terdapat dua kelompok mikrotubulus :

a. Mikrotubulus stabil yaitu mikrotubulus yang dapat diawetkan dengan larutan fisikatif apapun, misalnya : OsO4, MnO4 atau aldehida dan suhu berapapun. Contoh mikrotubulus stabil adalah pembentukan silia dan flagella.

b. Mikrotubulus labil yaitu, mikrotubulus yang dapat diawetkan hanya dengan larutan fisikatif aldehida dan pada suhu sekitar 4o C. Contoh mikrotubulus labil adalah mikrotubulus pembentuk gelendong pembelahan. Sifat kelabilan mikrotubulus ini berguna untuk menerangkan arah pertumbuhannya. Mikrotubulus yang kedua ujungnya terdapat bebas di dalam sitoplasma akan segera lenyap. Mikrotubulus ysng tumbuh dengan ujung negatif melekat pada sentroma dapat dibuat stabil apabila ujung positifnya dilindungi sehingga menghalangi terjadinya depolimerisasi.

Mikrotubulus labil dijumpai di dalam sitoplasma, oleh karena itu disebut pula mikrotubulus sitoplasmik. Mereka seringkali tersusun secara sejajar terhadap satu sama lain, seperti yang terdapat dalam aksoplasma sel saraf. Namun, dapat pula terlihat terpancar dari satu pusat ke dekat inti seperti yang terlihat pada sel yang sedang membelah. Mikrotubulus sitoplasmik dapat memberikan polaritas kepada sel dan membantu mengatur bentuk sel, gerakan sel dan menentukan bidang pembelahan sel.

Mikrotubulus sitoplasmik, di dalam sel pada stadium interfase dari sel yang dibiakkan dapat ditunjukkan dengan teknik immunofluoresen. Mikrotubulus terlihat paling banyak disekitar inti. Dari daerah ini terpancar dalam bentuk anyaman benang-benang halus kearah perifer sel. Asal mikrotubulus dapat diketahui dengan tepat dengan jalan mendepolimerisasi dan membiarkannya tmbuh kembali. Mikrotubulus yang timbul kmbali semula akan terlihat seperti bintik kecil yang berbentuk bintang, oleh karena itu disebut aster terletak di dekat inti. Pancaran benang-benang halus itu memanjang ke arah tepi sel. Sampai penyebaran awal terbentuk kembali. Daerah tempat timbulnya aster disebut MTOC (microtubule organizing center). Dengan menggunakan perunut, dapat diketahui bahwa kutub negative mikrotubulus berada di daerah MTOC sedangkan kutub positifnya menjauhi MTOC.

2.      Mikrofilamen/filament aktin

Mikrofilamen atau filamen aktin adalah bagian dari kerangka sel (sitoskeleton) yang berupa batang padat berdiameter sekitar 7 nm dan tersusun atas protein aktin, yaitu suatu protein globular. Mikrofilamen ada pada sel eukariot. Berlawanan dengan peran penahan-tekanan (gaya tekan) mikrotubula, peran struktural mikrofilamen dalam sitoskeleton ialah untuk menahan tegangan (gaya tarik). Dengan bergabung dengan protein lain, mikrofilamen sering membentuk jalinan tiga dimensi persis di dalam membran plasma, yang membantu mendukung bentuk sel. Jalinan ini membentuk korteks (lapisan sitoplasma luar) sel tersebut mempunyai kekentalan semipadat seperti gel, yang berlawanan dengan keadaan sitoplasma dalamnya yang lebih cair (sol). Dalam sel hewan yang terspesialisasi untuk mengangkut materi melintasi membran plasma, berkas mikrofilamen membentuk inti mikrovili, penonjolan halus yang meningkatkan luas permukaan sel. Mikrofilamen dikenal baik karena perannya dalam pergerakan sel khususnya sebagai bagian alat kontraksi sel otot. Ribuan filamen aktin disusun sejajar satu sama lain di sepanjang sel otot yang diselingi dengan filamen yang lebih tebal yang terbentuk dari protein yang disebut miosin. Kontraksi otot terjadi akibat mikrofilamen dan miosin yang saling melncur melewati yang lain, yang akan memperpendek selnya.

Aktivitas mikrofilamen menyebabkan pergerakan seperti aliran sitoplasma dan gerak ameboid (gerak sel tunggal protista, cendawan, dan hewan yang menggunakan protoplasmanya yang mengalir keluar dari sel unuk membentuk semacam kaki semu atau pseudopod, kemudian bagian sel yang tertinggal maju ke arah pseudopod hingga menghasilkan gerak sel di suatu permukaan). Mikrofilamen terlihat melalui mikroskop fluoresensi dengan bantuan antibodi antiaktin (diperoleh dari lawan aktin pada hewan) atau dengan analog fluoresen falotoksin (berasal dari cendawan Amanita phalloides), yang secara khas berikatan dengan molekul aktin (atau lir-aktin).

3.Filament intermediet

Filamen antara adalah rantai molekul protein yang berbentuk untaian yang saling melilit. Filamen ini berdiameter 8-10 nm. Disebut serabut antara karena berukuran diantara ukuran mikrotubulus dan mikrofilamen. Serabut ini tersusun atas protein yang disebut fimetin. Akan tetapi, tidak semua sel tersusun atas fimetin, contohnya sel kulit tersusun oleh protein keratin.

Filamen intermediat merupakan bagian dari kerangka sel (sitoskeleton) yang memiliki diameter antara 8 hingga 12 nm, lebih besar daripada diameter mikrofilamen tetapi lebih kecil daripada diameter mikrotubula, yang fungsinya untuk menahan tarikan (seperti mikrotubula). Filamen intermediet terdiri dari berbagai jenis yang setiap jenisnya disusun dari subunit molekuler berbeda dari keluarga protein yang beragam yang disebut keratin. Mikrotubula dan mikrofilamen, sebaliknya mempunyai diameter dan komposisi yang sama di seluruh sel eukariot. Dibandingkan mikrofilamen dan mikrotubula yang sering dibongkar-pasang dalam berbagai macam bagian sel. Filamen intermediet termasuk peralatan sel yang lebih permanen. Perlakuan kimiawi yang memindahkan mikrofilamen dan mikrotubula dari sitoplasma meninggalkan jalinan filamen intermediet yang mempertahankan bentuk aslinya. Berbagai jenis filamen intermediet kemungkinan berfungsi sebagai kerangka keseluruhan sitoskeleton.