respirasi sel adalah proses yang menghasilkan energi dalam yang berupa ATP (adenosin trifosfat). Kemudian, energi ini diarahkan ke proses seluler lainnya. Selama fenomena ini, molekul mengalami oksidasi dan penerima akhir elektron, dalam banyak kasus, adalah molekul anorganik.
Sifat akseptor elektron terakhir tergantung pada jenis respirasi organisme yang dipelajari. Dalam aerob – seperti Homo sapiens – akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Sebaliknya, untuk respirator anaerob oksigen bisa menjadi racun. Dalam kasus terakhir, akseptor terakhir adalah molekul anorganik selain oksigen.
Sumber: Oleh Darekk2 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], dari Wikimedia Commons
Respirasi aerobik telah dipelajari secara luas oleh ahli biokimia dan terdiri dari dua tahap: siklus Krebs dan rantai transpor elektron.
Dalam organisme eukariotik, semua mesin yang diperlukan untuk respirasi berlangsung di dalam mitokondria, baik dalam matriks mitokondria dan dalam sistem membran organel ini.
Mesin terdiri dari enzim yang mengkatalisis reaksi proses. Garis keturunan prokariotik ditandai dengan tidak adanya organel; untuk alasan ini, respirasi terjadi di daerah tertentu dari membran plasma yang mensimulasikan lingkungan yang sangat mirip dengan mitokondria.
Indeks artikel
Terminologi
Dalam bidang fisiologi, istilah “pernapasan” memiliki dua definisi: respirasi pulmonal dan respirasi seluler. Ketika kita menggunakan kata nafas dalam kehidupan sehari-hari, kita mengacu pada jenis pertama.
Respirasi paru terdiri dari tindakan bernapas masuk dan keluar, proses ini menghasilkan pertukaran gas: oksigen dan karbon dioksida. Istilah yang tepat untuk fenomena ini adalah “ventilasi”.
Sebaliknya, respirasi seluler terjadi – seperti namanya – di dalam sel dan merupakan proses yang bertugas menghasilkan energi melalui rantai transpor elektron. Proses terakhir inilah yang akan dibahas dalam artikel ini.
Di mana respirasi seluler terjadi?
Lokasi respirasi pada eukariota
Mitokondria
Respirasi sel terjadi di organel kompleks yang disebut mitokondria . Secara struktural, mitokondria memiliki lebar 1,5 mikron dan panjang 2 hingga 8 mikron. Mereka dicirikan dengan memiliki materi genetik mereka sendiri dan dengan membagi dengan pembelahan biner – karakteristik sisa dari asal endosimbiotik mereka.
Mereka memiliki dua membran, satu halus dan satu internal dengan lipatan yang membentuk pegunungan. Semakin aktif mitokondria, semakin banyak tonjolan yang dimilikinya.
Bagian dalam mitokondria disebut matriks mitokondria. Di kompartemen ini adalah enzim, koenzim, air dan fosfat yang diperlukan untuk reaksi pernapasan.
Membran luar memungkinkan lewatnya sebagian besar molekul kecil. Namun, membran dalamlah yang sebenarnya membatasi perjalanan melalui pengangkut yang sangat spesifik. Permeabilitas struktur ini memainkan peran mendasar dalam produksi ATP.
Jumlah mitokondria
Enzim dan komponen lain yang diperlukan untuk respirasi sel ditemukan berlabuh di membran dan bebas dalam matriks mitokondria.
Oleh karena itu, sel yang membutuhkan energi lebih banyak ditandai dengan jumlah mitokondria yang tinggi, berbeda dengan sel yang kebutuhan energinya lebih rendah.
Misalnya, sel hati memiliki rata-rata 2.500 mitokondria, sedangkan sel otot (sangat aktif secara metabolik) mengandung jumlah yang jauh lebih tinggi, dan mitokondria jenis sel ini lebih besar.
Selain itu, ini terletak di daerah tertentu di mana energi diperlukan, misalnya di sekitar flagel sperma.
Lokasi respirasi prokariotik
Logikanya, organisme prokariotik perlu bernapas dan mereka tidak memiliki mitokondria – atau organel kompleks yang menjadi ciri eukariota. Untuk alasan ini, proses pernapasan terjadi di invaginasi kecil dari membran plasma, analog dengan bagaimana hal itu terjadi di mitokondria.
Jenis
Ada dua jenis dasar respirasi, tergantung pada molekul yang bertindak sebagai akseptor akhir elektron. Dalam respirasi aerobik akseptor adalah oksigen, sedangkan dalam anaerobik itu adalah molekul anorganik – meskipun dalam beberapa kasus tertentu akseptor adalah molekul organik. Kita akan menjelaskan masing-masing secara rinci di bawah ini:
Pernapasan aerobik
Dalam organisme respirasi aerobik, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Tahapan yang terjadi dibagi menjadi siklus Krebs dan rantai transpor elektron.
Penjelasan rinci tentang reaksi yang terjadi di jalur biokimia ini akan dikembangkan di bagian selanjutnya.
Respirasi anaerob
Akseptor terakhir terdiri dari molekul selain oksigen. Jumlah ATP yang dihasilkan oleh respirasi anaerob tergantung pada beberapa faktor, termasuk organisme yang diteliti dan rute yang digunakan.
Namun, produksi energi selalu lebih tinggi dalam respirasi aerobik, karena siklus Krebs hanya bekerja sebagian dan tidak semua molekul pengangkut dalam rantai berpartisipasi dalam respirasi.
Untuk alasan ini, pertumbuhan dan perkembangan individu anaerobik secara signifikan kurang dari yang aerobik.
Contoh organisme anaerob
Dalam beberapa organisme oksigen beracun dan mereka disebut anaerob ketat. Contoh yang paling terkenal adalah bakteri yang menyebabkan tetanus dan botulisme: Clostridium.
Selain itu, ada organisme lain yang dapat berganti-ganti antara respirasi aerob dan anaerob, yang menyebut diri mereka anaerob fakultatif. Dengan kata lain, mereka menggunakan oksigen ketika cocok untuk mereka dan jika tidak ada mereka menggunakan respirasi anaerobik. Misalnya, bakteri Escherichia coli yang terkenal memiliki metabolisme ini.
Bakteri tertentu dapat menggunakan ion nitrat (NO 3 – ) sebagai akseptor elektron terakhir, seperti genus Pseudomonas dan Bacillus. Ion tersebut dapat direduksi menjadi ion nitrit, dinitrogen oksida atau gas nitrogen.
Dalam kasus lain, akseptor akhir terdiri dari ion sulfat (SO 4 2- ) yang menimbulkan hidrogen sulfida dan menggunakan karbonat untuk membentuk metana. Genus bakteri Desulfovibrio adalah contoh dari jenis akseptor ini.
Penerimaan elektron dalam molekul nitrat dan sulfat ini sangat penting dalam siklus biogeokimia senyawa ini – nitrogen dan belerang.
Proses
glikolisis adalah pra melalui respirasi sel. Ini dimulai dengan molekul glukosa dan produk akhirnya adalah piruvat, molekul tiga karbon. Glikolisis terjadi di sitoplasma sel. Molekul ini harus dapat memasuki mitokondria untuk melanjutkan degradasinya.
Piruvat dapat berdifusi melalui gradien konsentrasi ke dalam organel, melalui pori-pori membran. Tujuan akhir adalah matriks mitokondria.
Sebelum memasuki langkah pertama respirasi sel, molekul piruvat mengalami modifikasi tertentu.
Pertama, ia bereaksi dengan molekul yang disebut koenzim A. Setiap piruvat membelah menjadi karbon dioksida dan gugus asetil, yang berikatan dengan koenzim A, menghasilkan kompleks asetil koenzim A.
Dalam reaksi ini, dua elektron dan ion hidrogen ditransfer ke NADP + , menghasilkan NADH dan dikatalisis oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Reaksi membutuhkan serangkaian kofaktor.
Setelah modifikasi ini, dua tahap dalam respirasi dimulai: siklus Krebs dan rantai transpor elektron.
Siklus Krebs
Siklus Krebs merupakan salah satu reaksi siklis terpenting dalam biokimia. Hal ini juga dikenal dalam literatur sebagai siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat (TCA).
Dinamai untuk menghormati penemunya: ahli biokimia Jerman Hans Krebs. Pada tahun 1953, Krebs dianugerahi Hadiah Nobel untuk penemuan yang menandai bidang biokimia ini.
Tujuan dari siklus ini adalah pelepasan bertahap energi yang terkandung dalam asetil koenzim A. Ini terdiri dari serangkaian reaksi oksidasi dan reduksi yang mentransfer energi ke molekul yang berbeda, terutama NAD + .
Untuk setiap dua molekul asetil koenzim A yang masuk siklus, empat molekul karbon dioksida yang dilepaskan, enam molekul NADH dan dua dari FADH 2 dihasilkan . CO 2 dilepaskan ke atmosfer sebagai zat limbah dari proses. GTP juga dihasilkan.
Karena jalur ini berpartisipasi dalam proses anabolik (sintesis molekul) dan katabolik (degradasi molekul), ini disebut “amfibolik”.
Reaksi siklus krebs
Siklus dimulai dengan peleburan molekul asetil koenzim A dengan molekul oksaloasetat. Penyatuan ini menghasilkan molekul enam karbon: sitrat. Dengan demikian, koenzim A dilepaskan, bahkan digunakan kembali berkali-kali. Jika ada terlalu banyak ATP dalam sel, langkah ini terhambat.
Reaksi di atas membutuhkan energi dan diperoleh dari pemutusan ikatan energi tinggi antara gugus asetil dan koenzim A.
Sitrat diubah menjadi cis aconitate, dan diubah menjadi isositrat oleh enzim aconitase. Langkah selanjutnya adalah konversi isositrat menjadi alfa ketoglutarat oleh isositrat terdehidrogenasi. Tahap ini relevan karena mengarah pada pengurangan NADH dan melepaskan karbon dioksida.
Alfa ketoglutarat diubah menjadi suksinil koenzim A oleh alfa ketoglutarat dehidrogenase, yang menggunakan kofaktor yang sama seperti piruvat kinase. NADH juga dihasilkan pada langkah ini dan, sebagai langkah awal, dihambat oleh kelebihan ATP.
Produk selanjutnya adalah suksinat. Dalam produksinya, pembentukan GTP terjadi. Suksinat menjadi fumarat. Reaksi ini menghasilkan FADH2. Fumarat, pada gilirannya, menjadi malat dan akhirnya oksaloasetat.
Rantai transpor elektron
Tujuan dari rantai transpor elektron adalah untuk mengambil elektron dari senyawa yang dihasilkan dalam langkah-langkah sebelumnya, seperti NADH dan FADH 2 , yang berada pada tingkat energi yang tinggi, dan memimpin mereka ke tingkat energi yang lebih rendah.
Penurunan energi ini terjadi secara bertahap, yaitu tidak terjadi secara tiba-tiba. Ini terdiri dari serangkaian langkah di mana reaksi redoks terjadi.
Komponen utama rantai adalah kompleks yang dibentuk oleh protein dan enzim yang digabungkan dengan sitokrom: metaloporfirin tipe heme.
Sitokrom sangat mirip dalam hal strukturnya, meskipun masing-masing memiliki kekhususan yang memungkinkannya melakukan fungsi spesifiknya di dalam rantai, menyanyikan elektron pada tingkat energi yang berbeda.
Pergerakan elektron melalui rantai pernapasan ke tingkat yang lebih rendah menghasilkan pelepasan energi. Energi ini dapat digunakan di mitokondria untuk mensintesis ATP, dalam proses yang dikenal sebagai fosforilasi oksidatif.
Kopling kemosmotik
Untuk waktu yang lama mekanisme pembentukan ATP dalam rantai merupakan teka-teki, sampai ahli biokimia Peter Mitchell mengusulkan kopling kemosmotik.
Dalam fenomena ini, gradien proton terbentuk melintasi membran mitokondria bagian dalam. Energi yang terkandung dalam sistem ini dilepaskan dan digunakan untuk mensintesis ATP.
Jumlah ATP yang terbentuk
Seperti yang kita lihat, ATP tidak terbentuk secara langsung dalam siklus Krebs, tetapi dalam rantai transpor elektron. Untuk setiap dua elektron yang berpindah dari NADH ke oksigen, sintesis tiga molekul ATP terjadi. Perkiraan ini mungkin agak berbeda tergantung pada literatur yang dikonsultasikan.
Demikian pula, untuk setiap dua elektron yang lolos dari FADH 2 , dua molekul ATP terbentuk.
Fitur
Fungsi utama respirasi sel adalah pembangkitan energi berupa ATP untuk dapat mengarahkannya ke fungsi-fungsi sel.
Baik hewan maupun tumbuhan perlu mengekstrak energi kimia yang terkandung dalam molekul organik yang mereka gunakan untuk makanan. Dalam kasus sayuran, molekul-molekul ini adalah gula yang disintesis oleh tanaman yang sama dengan menggunakan energi matahari dalam proses fotosintesis yang terkenal.
Hewan, di sisi lain, tidak mampu mensintesis makanan mereka sendiri. Jadi, heterotrof mengkonsumsi makanan dalam makanan – seperti kita, misalnya. Proses oksidasi bertanggung jawab untuk mengekstraksi energi dari makanan.
Kita seharusnya tidak mengacaukan fungsi fotosintesis dengan fungsi respirasi. Tumbuhan, seperti halnya hewan, juga bernafas. Kedua proses tersebut saling melengkapi dan menjaga dinamika dunia kehidupan.
Referensi
- Alberts, B., & Bray, D. (2006). Pengantar biologi sel . Ed. Medis Panamerika.
- Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi . pendidikan Pearson.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologi . Ed. Medis Panamerika.
- Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Prinsip terintegrasi zoologi . McGraw-Hill.
- Randall, D., Burggren, W., Prancis, K., & Eckert, R. (2002). Fisiologi hewan Eckert . Macmillan.
- Tortora, GJ, Funke, BR, & Kasus, CL (2007). Pengantar mikrobiologi . Ed. Medis Panamerika.
- Muda, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Histologi fungsional: teks dan atlas warna . Harcourt.
