Filsuf Bertrand Russell berkata, “Setiap makhluk hidup adalah sejenis imperialis, yang berusaha mengubah sebanyak mungkin lingkungannya menjadi dirinya sendiri.” Selain metafora, respirasi seluler adalah cara formal di mana makhluk hidup akhirnya melakukan ini. Respirasi sel mengambil zat yang ditangkap dari lingkungan eksternal (sumber udara dan karbon) dan mengubahnya menjadi energi untuk membangun lebih banyak sel dan jaringan dan untuk melakukan aktivitas yang menopang kehidupan.
Respirasi sel juga menghasilkan produk limbah dan air. Ini tidak menjadi bingung dengan “respirasi” dalam arti sehari-hari, yang biasanya berarti hal yang sama dengan “bernafas.” Bernafas adalah bagaimana organisme memperoleh oksigen, tetapi ini tidak sama dengan memproses oksigen, dan bernapas tidak dapat memasok karbon juga dibutuhkan untuk respirasi; diet menangani hal ini, setidaknya pada hewan.
Tempat respirasi sel
Tempat terjadinya respirasi sel adalah di mitokondria. Respirasi sel terjadi pada tumbuhan dan hewan, tetapi tidak pada prokariota (mis., Bakteri), yang kekurangan mitokondria dan organel lain sehingga tidak dapat menggunakan oksigen, sehingga membatasi mereka pada glikolisis sebagai sumber energi. Tumbuhan mungkin lebih sering dikaitkan dengan fotosintesis daripada dengan respirasi, tetapi fotosintesis adalah sumber oksigen untuk respirasi sel tumbuhan serta sumber oksigen yang keluar dari tanaman yang dapat digunakan oleh hewan. Produk sampingan utama dalam kedua kasus ini adalah ATP, atau adenosin trifosfat, pembawa energi kimiawi utama pada makhluk hidup.
Persamaan kimia Respirasi Sel
Respirasi seluler, sering disebut respirasi aerobik, adalah pemecahan lengkap molekul glukosa di hadapan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida dan air:
C6H12O6 + 6O2 + 38 ADP +38 P –> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP + 420 Kkal
Persamaan ini memiliki komponen oksidasi (C6H12O6 -> 6CO2), yang pada dasarnya merupakan pemindahan elektron dalam bentuk atom hidrogen. Ini juga memiliki komponen reduksi, 6O2 -> 6H2O, yang merupakan penambahan elektron dalam bentuk hidrogen.
Apa persamaan secara keseluruhan diterjemahkan adalah bahwa energi yang dimiliki dalam ikatan kimia reaktan digunakan untuk menghubungkan adenosin difosfat (ADP) ke atom fosfor bebas (P) untuk menghasilkan adenosin trifosfat (ATP).
Proses secara keseluruhan melibatkan beberapa langkah: Glikolisis terjadi di sitoplasma, diikuti oleh siklus Krebs dan rantai transpor elektron dalam matriks mitokondria dan pada masing-masing membran mitokondria.
Proses Glikolisis
Langkah pertama dalam pemecahan glukosa pada tumbuhan dan hewan adalah serangkaian 10 reaksi yang dikenal sebagai glikolisis. Glukosa memasuki sel hewan dari luar, melalui makanan yang dipecah menjadi molekul glukosa yang bersirkulasi dalam darah dan diambil oleh jaringan di mana energi sangat dibutuhkan (termasuk otak). Tanaman, sebaliknya, mensintesis glukosa dari mengambil karbon dioksida dari luar dan menggunakan fotosintesis untuk mengubah CO2 menjadi glukosa. Pada titik ini, terlepas dari bagaimana ia sampai di sana, setiap molekul glukosa berkomitmen untuk nasib yang sama.
Pada awal glikolisis, molekul glukosa enam karbon difosforilasi untuk menjebaknya di dalam sel; fosfat bermuatan negatif dan oleh karena itu tidak dapat melayang melalui membran sel seperti molekul nonpolar, kadang tidak bermuatan. Molekul fosfat kedua ditambahkan, yang membuat molekul tidak stabil, dan segera dibelah menjadi dua senyawa tiga karbon yang tidak identik. Ini segera mengasumsikan bentuk kimia datang, dan menjadi disusun kembali dalam serangkaian langkah untuk akhirnya menghasilkan dua molekul piruvat. Sepanjang jalan, dua molekul ATP dikonsumsi (mereka memasok dua fosfat ditambahkan ke glukosa sejak awal) dan empat diproduksi, dua oleh masing-masing proses tiga karbon, untuk menghasilkan jaring dua molekul ATP per molekul glukosa.
Pada bakteri, glikolisis saja sudah cukup untuk kebutuhan energi sel – dan dengan demikian seluruh organisme -. Tetapi pada tumbuhan dan hewan, tidak demikian halnya, dan dengan piruvat, nasib akhir glukosa baru saja dimulai. Perlu dicatat bahwa glikolisis itu sendiri tidak memerlukan oksigen, tetapi oksigen umumnya dimasukkan dalam diskusi tentang respirasi aerobik dan karenanya respirasi sel karena diperlukan untuk mensintesis piruvat.
Mitokondria dan Kloroplas
Kesalahpahaman yang umum di antara penggemar biologi adalah bahwa kloroplas melayani fungsi yang sama pada tanaman yang mitokondria lakukan pada hewan, dan bahwa setiap jenis organisme hanya memiliki satu atau yang lain. Ini tidak benar. Tumbuhan memiliki kloroplas dan mitokondria, sedangkan hewan hanya memiliki mitokondria. Tanaman menggunakan kloroplas sebagai generator – mereka menggunakan sumber karbon kecil (CO2) untuk membangun yang lebih besar (glukosa). Sel-sel hewan mendapatkan glukosa mereka dengan memecah makromolekul seperti karbohidrat, protein dan lemak, dan dengan demikian tidak perlu membuat glukosa dari dalam. Ini mungkin tampak aneh dan tidak efisien dalam hal tanaman, tetapi tanaman telah mengembangkan satu fitur yang tidak dimiliki hewan: kemampuan untuk memanfaatkan sinar matahari untuk penggunaan langsung dalam fungsi metabolisme. Ini memungkinkan tanaman benar-benar membuat makanan mereka sendiri.
Mitokondria diyakini merupakan sejenis bakteri yang berdiri bebas ratusan juta tahun yang lalu, sebuah teori yang didukung oleh kemiripan struktural mereka yang luar biasa dengan bakteri serta mesin metabolisme mereka dan keberadaan DNA dan organel mereka sendiri yang disebut ribosom. Eukaryotes pertama kali muncul lebih dari satu miliar tahun yang lalu ketika satu sel berhasil menelan yang lain (hipotesis endosimbion), yang mengarah ke pengaturan yang sangat bermanfaat bagi pengrajin dalam pengaturan ini karena kemampuan memproduksi energi yang diperluas. Mitokondria terdiri dari membran plasma ganda, seperti sel itu sendiri; membran bagian dalam termasuk lipatan yang disebut krista. Bagian internal mitokondria dikenal sebagai matriks dan analog dengan sitoplasma seluruh sel.
Kloroplas, seperti mitokondria, memiliki membran luar dan dalam serta DNA mereka sendiri. Di dalam ruang tertutup oleh membran bagian dalam terdapat bermacam-macam kantong membran yang saling berhubungan, berlapis dan berisi cairan yang disebut thylakoids. Setiap “tumpukan” thylakoids membentuk granum (jamak: grana). Cairan di dalam membran bagian dalam yang mengelilingi grana disebut stroma.
Kloroplas mengandung pigmen yang disebut klorofil yang keduanya memberi warna hijau pada tanaman dan berfungsi sebagai pengumpul sinar matahari untuk fotosintesis. Persamaan untuk fotosintesis adalah persis kebalikan dari respirasi seluler, tetapi langkah-langkah individu untuk mendapatkan dari karbon dioksida menjadi glukosa sama sekali tidak menyerupai reaksi balik dari rantai transpor elektron, siklus Krebs dan glikolisis.
Siklus Krebs
Dalam proses ini, juga disebut siklus asam tricarboxylic (TCA) atau siklus asam sitrat, molekul piruvat pertama-tama dikonversi menjadi molekul dua karbon yang disebut asetil koenzim A (asetil KoA). Ini melepaskan molekul CO2. Molekul asetil KoA kemudian memasuki matriks mitokondria, di mana masing-masing dari mereka bergabung dengan molekul empat karbon oksaloasetat untuk membentuk asam sitrat. Jadi, jika Anda melakukan penghitungan yang cermat, satu molekul glukosa menghasilkan dua molekul asam sitrat pada awal siklus Krebs.
Asam sitrat, molekul enam karbon, disusun kembali menjadi isocitrate, dan kemudian atom karbon dilepaskan untuk membentuk ketoglutarate, dengan CO2 yang keluar dari siklus. Ketoglutarate pada gilirannya dilucuti dari atom karbon lain, menghasilkan CO2 lain dan suksinat dan juga membentuk molekul ATP. Dari sana, molekul suksinat empat karbon ditransformasikan secara berurutan menjadi fumarat, malat dan oksaloasetat. Reaksi-reaksi ini melihat ion-ion hidrogen dikeluarkan dari molekul-molekul ini dan ditempelkan ke pembawa elektron berenergi tinggi NAD + dan FAD + untuk membentuk masing-masing NADH dan FADH2, yang pada dasarnya adalah “kreasi” energi yang menyamar, seperti yang akan segera Anda lihat. Pada akhir siklus Krebs, molekul glukosa asli telah memunculkan 10 NADH dan dua molekul FADH2.
Reaksi dari siklus Krebs hanya menghasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa asli, satu untuk setiap “putaran” siklus. Ini berarti bahwa selain dua ATP yang diproduksi dalam glikolisis, setelah siklus Krebs, hasilnya adalah total empat ATP. Tetapi hasil nyata dari respirasi aerobik belum terungkap pada tahap ini.
Rantai Transportasi Elektron
Rantai transpor elektron, yang terjadi pada krista membran mitokondria bagian dalam, adalah langkah pertama dalam respirasi seluler yang secara eksplisit bergantung pada oksigen. NADH dan FADH2 yang diproduksi dalam siklus Krebs sekarang siap untuk berkontribusi pada pelepasan energi secara besar-besaran.
Cara ini terjadi adalah bahwa ion hidrogen yang disimpan pada molekul pembawa elektron ini (ion hidrogen dapat, untuk tujuan ini, dianggap sebagai pasangan elektron dalam hal kontribusinya terhadap bagian respirasi ini) digunakan untuk membuat gradien chemiosmotic. Anda mungkin pernah mendengar tentang gradien konsentrasi, di mana molekul mengalir dari daerah dengan konsentrasi lebih tinggi ke daerah dengan konsentrasi lebih rendah, seperti kubus gula yang larut dalam air dan partikel-partikel gula menjadi tersebar di seluruh. Namun, dalam gradien chemiosmotic, elektron dari NADH dan FADH2 akhirnya dilewatkan bersama oleh protein yang tertanam dalam membran dan berfungsi sebagai sistem transfer elektron. Energi yang dilepaskan dalam proses ini digunakan untuk memompa ion hidrogen melintasi membran dan menciptakan gradien konsentrasi di atasnya. Ini mengarah ke aliran bersih atom hidrogen dalam satu arah, dan aliran ini digunakan untuk memberi daya pada enzim yang disebut ATP sintase, yang membuat ATP dari ADP dan P. Pikirkan rantai transpor elektron sebagai sesuatu yang menempatkan banyak air di belakang roda air, rotasi selanjutnya yang digunakan untuk membangun sesuatu.
Ini, tidak disengaja, adalah proses yang sama digunakan dalam kloroplas untuk memperkuat sintesis glukosa. Sumber energi untuk membuat gradien melintasi membran kloroplas dalam hal ini bukan NADH dan FADH2, tetapi sinar matahari. Aliran berikutnya dari ion hidrogen ke arah konsentrasi ion H + yang lebih rendah digunakan untuk menggerakkan sintesis molekul karbon yang lebih besar dari yang lebih kecil, dimulai dengan CO2 dan berakhir dengan C6H12O6.
Energi yang mengalir dari gradien chemiosmotic digunakan untuk memberi daya tidak hanya pada produksi ATP tetapi juga proses seluler vital lainnya, seperti sintesis protein. Jika rantai transpor elektron terputus (seperti halnya kekurangan oksigen yang berkepanjangan), gradien proton ini tidak dapat dipertahankan dan produksi energi seluler berhenti, seperti roda air berhenti mengalir ketika air di sekitarnya tidak lagi memiliki gradien aliran tekanan.
Karena setiap molekul NADH telah ditunjukkan secara eksperimen untuk menghasilkan sekitar tiga molekul ATP dan setiap FADH2 menghasilkan dua molekul ATP, total energi yang dilepaskan oleh reaksi rantai transpor elektron (merujuk kembali ke bagian sebelumnya) 10 kali 3 (untuk NADH ) ditambah 2 kali 2 (untuk FADH2) dengan total 34 ATP. Tambahkan ini ke 2 ATP dari glikolisis dan 2 dari siklus Krebs, dan di sinilah angka 38 ATP dalam persamaan untuk respirasi aerobik berasal.
Pada organel apa respirasi sel berlangsung