Respirasi Seluler - Pengertian, Persamaan, Jenis, Langkah dan Produk nya

Pembahasan Mengenai Respirasi Seluler :

Pengertian Respirasi Seluler

Respirasi seluler adalah proses metabolisme yang terdiri dari serangkaian langkah untuk mengubah energi kimia (gula) menjadi bentuk energi yang dapat digunakan (ATP) di dalam sel.

• Reaksi yang terlibat dalam respirasi sel adalah reaksi katabolik yang melibatkan pemecahan molekul organik yang lebih besar menjadi bentuk yang lebih kecil.
• Proses respirasi sel secara keseluruhan terjadi dalam sejumlah langkah yang dikhususkan untuk degradasi molekul tertentu.
• Respirasi seluler adalah dasar kehidupan yang terjadi di semua bentuk kehidupan. Pada kebanyakan organisme multiseluler, respirasi sel terjadi dalam bentuk respirasi aerobik.
• Proses respirasi sel melibatkan pemecahan ikatan energi tinggi, yang melepaskan energi dalam bentuk ATP.
• Secara teknis, respirasi sel adalah reaksi pembakaran, tetapi proses di dalam sel terjadi secara lambat dan terkontrol untuk melepaskan energi melalui serangkaian reaksi.
• Sebagian besar reaksi dalam respirasi sel adalah reaksi redoks dengan adanya zat pengoksidasi kuat seperti oksigen molekuler.
• Energi kimia yang dihasilkan selama respirasi sel disimpan dalam bentuk ATP yang melepaskan energi dengan memutus ikatan gugus fosfat ketiga selama proses seperti biosintesis, penggerak, dan transpor aktif molekul.
• Biomolekul dan struktur yang berbeda terlibat selama proses respirasi sel. 
• Demikian pula, serangkaian enzim yang berbeda mengkatalisasi berbagai langkah respirasi sel, yang semuanya ditemukan di dalam sel. - Pengertian, Persamaan, Jenis, Langkah dan Produk nya

Apa itu ATP ?

• Adenosine Triphosphate (ATP) adalah senyawa anorganik yang bertindak sebagai molekul pembawa energi dengan menangkap energi yang dihasilkan dari reaksi kimia.
• ATP adalah molekul nukleotida yang terdiri dari tiga unit struktural utama; basa nitrogen, adenin, unit gula, ribosa, dan tiga gugus fosfat terikat pada tulang punggung ribosa.
• ATP tidak bertindak sebagai unit penyimpanan energi seperti karbohidrat dan protein, tetapi bertindak sebagai pesawat ulang-alik untuk melepaskan energi selama aktivitas yang memakan energi.
• Pelepasan energi oleh ATP terjadi sebagai akibat putusnya ikatan fosfat menjadi molekul ADP atau AMP.
• Sebagian besar ATP dalam sel disintesis di mitokondria karena dianggap sebagai pembangkit tenaga sel, sementara beberapa ATP mungkin diproduksi di sitoplasma.

Apa itu NAD ?

• Nicotinamide Adenine Diphosphate (NAD) adalah koenzim yang memainkan peran sentral dalam respirasi sel karena bertindak sebagai alat transpor elektron.
• Molekul terdiri dari dua unit nukleotida dimana satu mengandung adenin sebagai nukleobase, dan yang lainnya mengandung unit nikotinamida. Selain itu, dua gugus fosfat terikat pada unit nukleotida.
• NAD keluar dalam dua bentuk berbeda berdasarkan bilangan oksidasi NAD + adalah bilangan teroksidasi dan NADH adalah bilangan tereduksi.
• NAD terlibat dalam reaksi redoks di mana ia menjadi tereduksi dengan menerima elektron dan mengoksidasi dengan menyumbangkan elektron tersebut ke molekul lain.
• Ini disintesis di dalam tubuh dari unit asam amino yang lebih kecil seperti triptofan dan asam aspartat.

Apa itu FAD ?

• Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) adalah koenzim metabolik yang terlibat dalam berbagai reaksi enzimatik dalam tubuh sebagai pembawa elektron.
• FAD memiliki struktur yang mirip dengan NAD dengan dua unit nukleotida, dimana satu terdiri dari adenin sebagai basa nitrogen sedangkan yang lainnya terdiri dari unit flavin. 
• FAD disintesis dalam tubuh dari riboflavin dan dua molekul ATP. Fosforilasi riboflavin oleh ATP menghasilkan pembentukan FMN. Transfer unit AMP dari ATP kemudian menghasilkan pembentukan FAD. 
• Dalam kasus respirasi sel, rumpon yang terlibat ada dalam dua bilangan oksidasi; FADH dan FADH 2 .
• Karena bilangan oksidasi berganda, molekul FAD terlibat dalam transfer elektron dari satu molekul ke molekul lainnya.

Lokasi Respirasi Seluler

• Respirasi seluler, seperti namanya, terjadi di setiap sel untuk menghasilkan energi untuk sel tertentu.
• Di dalam sel eukariotik, prosesnya dimulai di dalam sitoplasma . Langkah pertama respirasi sel, glikolisis , terjadi di sitoplasma karena enzim yang diperlukan untuk glikolisis hadir di sitoplasma.
• Hasil akhir dari langkah-langkah glikolisis diangkut ke dalam mitokondria sel di mana langkah-langkah respirasi sel lainnya berlangsung.
• Langkah selanjutnya, seperti siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif , terjadi di membran luar dan dalam mitokondria.
• Dalam kasus sel prokariotik, bagaimanapun, semua langkah respirasi sel terjadi di dalam sitoplasma karena mereka tidak memiliki organel sel yang didefinisikan .

Persamaan Respirasi Seluler

Langkah-langkah dan reaksi yang terlibat dalam respirasi sel mungkin berbeda dalam berbagai jenis respirasi seluler. 

Persamaan respirasi aerobik

• Dalam respirasi aerobik, satu molekul glukosa bergabung dengan molekul oksigen dan ADP untuk membentuk karbon dioksida, air, dan energi. Respirasi aerobik adalah jalur paling efisien dari respirasi seluler yang menghasilkan jumlah ATP terbesar.

Persamaan respirasi aerobik secara keseluruhan adalah :

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 36ADP + 36Pi → 6CO 2 + 6H 2 O + 36ATP

Persamaan respirasi anaerobik

• Dalam respirasi anaerobik, persamaan yang terlibat bergantung pada jalur yang digunakan. Jalur anaerob kurang efisien daripada respirasi aerobik karena menghasilkan jumlah ATP yang lebih sedikit.
• Dalam fermentasi alkohol, satu molekul glukosa terurai menjadi etil alkohol, karbon dioksida, dan energi. Prosesnya berlangsung tanpa adanya oksigen.

Persamaan respirasi anaerobik secara keseluruhan adalah:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP

Dalam fermentasi asam laktat, satu molekul glukosa didegradasi menjadi asam laktat dan energi. Respirasi ini juga terjadi tanpa adanya oksigen.

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP

Jenis Respirasi Seluler

1. Respirasi Aerobik

• Respirasi aerobik adalah jenis respirasi sel yang melibatkan pemecahan molekul kompleks berenergi tinggi dengan adanya oksigen untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP.  
• Respirasi aerobik menghasilkan oksidasi karbohidrat lengkap untuk menghasilkan jumlah energi maksimum.
• Respirasi aerobik adalah jenis respirasi seluler yang paling efisien yang terjadi di sebagian besar eukariota dan beberapa prokariota.
• Molekul oksigen dalam respirasi aerobik, bertindak sebagai akseptor elektron terakhir, menghasilkan produksi ATP yang efisien.
• Efisiensi respirasi aerob lebih tinggi daripada respirasi anaerobik karena ikatan rangkap pada molekul oksigen membantu proses produksi ATP.
• Respirasi aerobik adalah proses yang lebih lama yang melibatkan pertukaran oksigen dan gas karbon dioksida.
• Respirasi aerobik berbeda dari respirasi anaerobik di mana piruvat yang terbentuk pada akhir glikolisis memasuki siklus Kreb untuk degradasi lebih lanjut.
• Produk akhir dari respirasi aerobik adalah karbon dioksida dan air bersama dengan ATP setelah penambahan gugus fosfat ke molekul ADP.
• Selain itu, molekul kaya energi lainnya seperti NADH dan FADH 2 juga diproduksi selama respirasi aerobik, yang menghasilkan ATP melalui rantai transpor elektron.
• Secara teoritis, 36 ATP akan dibentuk pada akhir respirasi aerobik; namun, sebagian energi hilang karena bocornya membran.

2. Respirasi Anaerobik

• Respirasi anaerob adalah jenis respirasi sel yang terjadi tanpa adanya oksigen pada organisme prokariotik untuk menghasilkan asam atau alkohol sebagai produk akhir.
• Dalam respirasi anaerobik, molekul atau ion lain seperti sulfat atau nitrat bertindak sebagai akseptor elektron terakhir menggantikan oksigen.
• Produk sampingan dari respirasi anaerobik bergantung pada berbagai bentuk respirasi anaerobik.
• Jenis respirasi atau fermentasi anaerobik berbeda berdasarkan akseptor elektron dan produk sampingannya.
• Fermentasi alkohol melibatkan pemecahan karbohidrat untuk menghasilkan alkohol dan karbon dioksida sebagai produk sampingan.
• Fermentasi asam laktat adalah fermentasi karbohidrat untuk membentuk asam laktat oleh bakteri asam laktat tanpa adanya oksigen.
• Metanogenesis adalah jenis unik dari respirasi anaerobik dimana produk sampingannya adalah metana dan karbon dioksida.
• Respirasi anaerob lebih sering terjadi pada prokariota yang berada di lingkungan rendah oksigen seperti permukaan laut dalam.
• Respirasi anaerob kurang efisien daripada respirasi aerobik karena akseptor elektron terakhir dalam respirasi anaerob memiliki potensi reduksi yang lebih kecil daripada molekul oksigen.
• Namun, respirasi anaerobik penting untuk siklus biogeokimia unsur-unsur seperti belerang, karbon, dan nitrogen.
• Proses respirasi anaerobik terjadi di dalam sitoplasma sel karena enzim yang dibutuhkan untuk proses tersebut ada di dalam sitoplasma.

Baca Juga : Perbedaan Respirasi Aerobik dan Anaerobik

Langkah Respirasi Seluler

1. Glikolisis

• Glikolisis adalah langkah pertama dalam respirasi sel di mana molekul glukosa dikatabolisme untuk membentuk piruvat melalui serangkaian 10 langkah.
• Glikolisis adalah langkah awal metabolisme glukosa, yang merupakan jalur umum pada respirasi aerobik dan anaerobik.
• Urutan keseluruhan reaksi dalam glikolisis mungkin berbeda dari satu spesies ke spesies lainnya dalam regulasi dan nasib piruvat.
• Selama glikolisis, senyawa enam karbon seperti glukosa terurai menjadi dua senyawa tiga karbon (piruvat) dengan pelepasan 2 molekul ATP.
• Dalam respirasi aerobik, glikolisis adalah awal dari siklus asam sitrat dan rantai transpor elektron, yang bertanggung jawab untuk produksi sebagian besar ATP.
• Produk glikolisis dapat dilanjutkan dalam salah satu dari tiga jalur berbeda tergantung pada ketersediaan oksigen dan aktivitas metabolisme.

Ringkasan proses glikolisis dapat ditulis sebagai berikut    :

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD +        →        2C 3 H 4 O 3 + 2H 2 O + 2ATP + 2NADH + 2H+

Dengan kata lain, persamaan tersebut ditulis sebagai    :

Glukosa + ADP + Pi + NAD             →        Piruvat + Air + ATP + NADH + ion Hidrogen

Baca Juga : 

2. Oksidasi Piruvat

• Oksidasi piruvat adalah langkah kedua dari respirasi aerobik yang terjadi, mewakili salah satu dari tiga kemungkinan nasib molekul piruvat.
• Molekul piruvat adalah produk akhir dari glikolisis yang merupakan jalur umum dalam respirasi aerobik dan anaerobik.
• Nasib piruvat ditentukan oleh ketersediaan oksigen dan kondisi metabolisme.
• Oksidasi piruvat terjadi dengan adanya oksigen setelah molekul piruvat dipindahkan ke mitokondria dari sitoplasma.
• Piruvat yang berasal dari glikolisis didehidrogenasi untuk menghasilkan asetil Co-A dan CO 2 oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Enzim ini ditemukan dalam matriks mitokondria eukariota dan sitoplasma prokariota.
• Oksidasi piruvat bertindak sebagai penghubung antara glikolisis dan siklus asam sitrat dalam kasus respirasi aerobik.
• Selama oksidasi piruvat, total 3 ATP terbentuk (setelah masuknya NADH ke rantai transpor elektron).

Reaksi keseluruhan oksidasi piruvat dapat disimpulkan sebagai:

Koenzim Piruvat A + NAD → Asetil Co-A + NADH

3. Siklus Asam Sitrat

• Siklus asam sitrat atau siklus Kreb adalah proses oksidasi lengkap asetil KoA untuk melepaskan karbon dioksida dan molekul air.
• Ini adalah jalur paling universal untuk metabolisme aerobik dari molekul yang kaya energi.
• Reaksi siklus memberikan elektron ke rantai transpor elektron, yang mengurangi oksigen sambil menghasilkan ATP.
• Siklus ini penting tidak hanya untuk metabolisme karbohidrat tetapi juga untuk biomolekul lain seperti asam amino dan asam lemak.
• Siklus hanya dapat terjadi dengan adanya oksigen karena molekul kaya energi seperti NAD + dan FAD dapat mengambil ATP dari bentuk tereduksi mereka dengan transfer elektron ke oksigen molekuler.
• Ada dua tujuan utama dari siklus asam sitrat, yang meliputi disposisi atom karbon dan hidrogen serta konversi energi kimia potensial menjadi energi metabolik dalam bentuk ATP.
• Sebanyak 12 ATP terbentuk selama oksidasi lengkap dari satu molekul asetil Co-A.
• Dari 12 molekul ATP, hanya satu molekul ATP yang diproduksi langsung dari siklus; sisanya dihasilkan setelah masuknya molekul berenergi tinggi ke dalam rantai transpor elektron.

Reaksi keseluruhan dari siklus asam sitrat dapat disimpulkan sebagai:

CH 3 CO-SCoA + 3NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O → 2CO 2 + CoA-SH + 3NADH + FADH 2 + GTP + 2H + 

4. Fosforilasi Oksidatif

• Fosforilasi Oksidatif atau rantai transpor elektron pada tahap akhir respirasi aerobik yang terdiri dari rantai reaksi redoks untuk mensintesis molekul ATP.
• Selama proses tersebut, elektron yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat dipindahkan dari senyawa organik ke oksigen sekaligus melepaskan energi dalam bentuk ATP.
• Transpor elektron terjadi antara empat kompleks protein besar yang ada di membran mitokondria bagian dalam.
• Rantai tersebut terdiri dari serangkaian protein dengan gugus prostetik yang terikat erat yang mampu menerima dan menyumbangkan elektron berdasarkan bilangan oksidasi berganda.
• Jumlah ATP yang disintesis selama fosforilasi oksidatif bergantung pada molekul kaya energi yang melewati elektron. Misalnya, NADH menghasilkan 3 mol ATP, sedangkan FADH menghasilkan 2 mol ATP.
• Fosforilasi oksidatif sangat penting untuk metabolisme semua biomolekul karena semua reaksi metabolik bertemu pada tahap ini.
• Ada kelompok kimia berbeda yang bertindak sebagai pembawa elektron selama pengangkutan elektron melalui rantai. Selain itu, ada empat kompleks enzim penting yang mengkatalis transfer tersebut.

Ringkasan reaksi dalam rantai transpor elektron adalah:

NADH + 1 / 2O 2 + H + + ADP + Pi → NAD + + ATP + H 2 O 

Apa itu Fermentasi ?

1. Fermentasi Asam Laktat

• Fermentasi asam laktat adalah jenis fermentasi (respirasi anaerobik) di mana senyawa organik kompleks seperti glukosa diubah menjadi asam laktat sambil melepaskan sejumlah energi sel.
• Fermentasi asam laktat dimulai dengan glikolisis yang memecah satu molekul glukosa menjadi dua mol piruvat.
• Dengan adanya oksigen, piruvat yang terbentuk mengalami oksidasi piruvat untuk membentuk karbon dioksida. 
• Tetapi dengan tidak adanya oksigen atau dengan adanya oksigen terbatas, piruvat yang terbentuk mengalami berbagai bentuk fermentasi.
• Fermentasi asam laktat terjadi pada beberapa organisme anaerobik yang hidup di lingkungan rendah oksigen atau di sel otot selama latihan.
• Enzim yang terlibat dalam fermentasi asam laktat adalah dehidrogenase laktat yang mengkatalisis konversi piruvat menjadi asam laktat bersamaan dengan oksidasi NADH menjadi NAD + .
• NAD + yang terbentuk dalam fermentasi asam laktat menghasilkan 2ATP melalui rantai transpor elektron.
• Asam laktat yang dihasilkan selama fermentasi asam laktat di sel otot diakumulasi di otot. Asam laktat kemudian diteruskan ke hati, di mana ia diubah kembali menjadi piruvat sehingga dapat digunakan selama respirasi aerobik.
• Selain sebagai jalur metabolisme, fermentasi asam laktat juga dianggap sebagai metode yang diinginkan untuk mengolah dan mengawetkan sayuran karena metode tersebut berbiaya rendah dan menghasilkan rasa yang sangat diterima dan beragam.
• Bakteri pemfermentasi asam laktat penting secara industri karena terlibat dalam produksi yogurt, keju, dan produk susu lainnya.

2. Fermentasi Beralkohol

• Jalur umum respirasi anaerobik berikutnya adalah fermentasi alkohol di mana molekul karbohidrat teroksidasi sebagian untuk membentuk alkohol sebagai produk sampingan.
• Konversi piruvat menjadi etil alkohol dalam fermentasi alkohol adalah proses dua langkah di mana satu adalah reaksi oksidasi, dan yang lainnya adalah reaksi reduksi.
• Langkah awal fermentasi alkohol sama pada respirasi aerobik dan fermentasi asam laktat. Substrat dalam fermentasi alkohol, seperti dalam fermentasi asam laktat, adalah piruvat.
• Pada langkah pertama, molekul piruvat yang dihasilkan dari glikolisis didekarboksilasi oleh aksi katalitik piruvat dekarboksilase untuk menghasilkan asetaldehida.
• Asetaldehida kemudian direduksi menjadi etanol oleh NADH dengan adanya enzim alkohol dehidrogenase.
• NADH dioksidasi menjadi NAD + , yang menghasilkan ATP melalui rantai transpor elektron.
• Produk akhir fermentasi alkohol adalah etanol dan karbon dioksida.
• Produksi alkohol dari karbohidrat secara industri penting untuk produksi minuman beralkohol seperti bir dan anggur.
• Fermentasi alkohol adalah cara respirasi sel pada ragi dan mikroorganisme lainnya.
• Namun, akumulasi alkohol dalam jumlah besar mungkin berbahaya bagi beberapa mikroorganisme.

Apa itu Methanogenesis ?

• Metanogenesis adalah bentuk unik dari respirasi anaerobik yang melibatkan pemecahan molekul karbohidrat menjadi metana karbon dioksida sebagai produk sampingan.
• Sebagian besar organisme yang bernafas melalui metanogenesis termasuk dalam domain Archea dan hidup dalam hubungan dekat dengan bakteri anaerob.
• Metanogenesis adalah proses metabolisme penting dalam organisme seperti itu adalah langkah terakhir dari dekomposisi biomassa.
• Ini adalah proses anaerobik, dan akseptor elektron terminal dalam metanogenesis adalah senyawa karbon. Akseptor elektron yang umum dalam metanogenesis adalah asam asetat atau karbon dioksida.
• Selain membantu pemecahan molekul organik kompleks yang besar, metanogenesis juga penting untuk pembusukan bahan organik.
• Selama tahap lanjut dekomposisi bio, semua akseptor elektron lain kecuali karbon dioksida akan habis. Dalam kasus seperti itu, bahan organik yang tersisa didegradasi oleh metanogenesis di mana karbon dioksida bertindak sebagai akseptor elektron.
• Metanogenesis juga dilakukan oleh beberapa bakteri simbiosis yang ada di saluran pencernaan hewan ruminansia. Hal ini memungkinkan pencernaan bahan organik yang tidak akan terdegradasi oleh ternak.

Produk Respirasi Seluler

1. ATP

• Produk terpenting dari respirasi sel adalah ATP atau energi.
• ATP adalah molekul pembawa yang menyimpan energi dalam bentuk ikatan fosfat yang kemudian dilepaskan setelah putusnya ikatan tersebut bila diperlukan.
• ATP diubah menjadi ADP setelah energi dilepaskan. Molekul ADP kemudian mendapatkan energi lagi untuk membentuk molekul ATP.
• Kemampuan molekul untuk terus putus dan membuat ikatan fosfat memungkinkan satu molekul ATP digunakan beberapa kali untuk mengangkut energi dari satu tempat ke tempat lain.
• Efisiensi respirasi sel ditentukan oleh jumlah molekul ATP yang dihasilkan pada akhir proses.
• Dalam respirasi aerobik, total 36 ATP terbentuk di akhir proses. Jumlahnya cukup rendah dalam kasus respirasi anaerobik.

2. Karbon Dioksida

• Karbon dioksida adalah produk universal dari semua respirasi sel. Ini dianggap sebagai produk limbah dan dengan demikian, dikeluarkan dari sel dengan beberapa cara.
• Kehadiran sejumlah besar karbon dioksida di dalam sel dapat menyebabkan toksisitas karena meningkatkan pH sitoplasma.
• Dengan adanya air, karbon dioksida dapat membentuk asam karbonat, yang mungkin menjadi racun bagi beberapa sel.
• Pelepasan karbon dioksida dari sel sebagian besar merupakan proses aktif dan membutuhkan sejumlah energi.

3. Produk Lainnya

• Selain ATP dan karbondioksida, produk lain juga terbentuk selama respirasi sel, yang bergantung pada jenis respirasi sel.
• Dalam kasus fermentasi atau respirasi anaerobik, produk umum termasuk asam asetat, etil alkohol, metana, asam laktat, asam propionat, dll.
• Molekul air juga terbentuk selama respirasi aerobik setelah elektron ditangkap oleh molekul oksigen.

Tujuan Respirasi Seluler

• Tujuan terpenting dari respirasi sel adalah produksi energi yang dibutuhkan untuk berbagai tujuan di dalam sel.
• Produk akhir dan antara dari respirasi sel dapat digunakan untuk biosintesis berbagai biomolekul di dalam tubuh.
• Respirasi seluler juga merupakan bagian penting dari siklus karbon yang berfungsi sebagai sistem pengelolaan limbah alami.
• Langkah-langkah yang terlibat dalam respirasi sel juga penting untuk metabolisme biomolekul lain seperti asam amino dan asam lemak.
• Selain itu, produk respirasi seluler lainnya memiliki aplikasi industri yang berbeda.
• Proses respirasi anaerobik seperti fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat secara industri penting untuk menghasilkan berbagai produk komersial.