RESPIRASI SELULER: PROSES, JENIS DAN FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The respirasi sel adalah proses yang menghasilkan energi dalam yang berupa ATP (adenosin trifosfat). Nantinya, energi ini diarahkan ke proses seluler lainnya. Selama fenomena ini, molekul mengalami oksidasi dan akseptor akhir elektron, dalam banyak kasus, adalah molekul anorganik.

Sifat akseptor elektron terakhir tergantung pada jenis respirasi dari organisme yang dipelajari. Dalam aerob - seperti Homo sapiens - akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Sebaliknya, untuk respirator anaerobik oksigen bisa menjadi racun. Dalam kasus terakhir, akseptor terakhir adalah molekul anorganik selain oksigen.

Sumber: Oleh Darekk2, dari Wikimedia Commons

Respirasi aerobik telah dipelajari secara ekstensif oleh ahli biokimia dan terdiri dari dua tahap: siklus Krebs dan rantai transpor elektron.

Pada organisme eukariotik, semua mesin yang diperlukan agar respirasi berlangsung ada di dalam mitokondria, baik dalam matriks mitokondria maupun dalam sistem membran organel ini.

Mesin terdiri dari enzim yang mengkatalis 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.

Terminologi

Dalam bidang fisiologi, istilah "respirasi" memiliki dua pengertian: respirasi paru dan respirasi sel. Saat kita menggunakan kata nafas dalam kehidupan sehari-hari, yang kita maksud adalah tipe 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 sel 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 sel terjadi?

Lokasi respirasi pada eukariota

Mitokondria

Respirasi seluler 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 membaginya dengan pembelahan biner - karakteristik vestigial dari asal endosimbiosis mereka.

Mereka memiliki dua membran, yang halus dan yang internal dengan lipatan yang membentuk punggung bukit. Semakin aktif mitokondria, semakin banyak tonjolan yang dimilikinya.

Bagian dalam mitokondria disebut matriks mitokondria. Di kompartemen ini terdapat enzim, koenzim, air dan fosfat yang diperlukan untuk reaksi pernapasan.

Membran luar memungkinkan lewatnya sebagian besar molekul kecil. Namun, itu adalah membran dalam yang sebenarnya membatasi jalur melalui transporter 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 di matriks mitokondria.

Oleh karena itu, sel yang membutuhkan energi lebih banyak dicirikan memiliki 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 jenis mitokondria sel ini lebih besar.

Selain itu, ini terletak di daerah tertentu di mana energi dibutuhkan, misalnya di sekitar flagel sperma.

Lokasi respirasi prokariotik

Secara logis, organisme prokariotik perlu bernafas dan mereka tidak memiliki mitokondria - atau organel kompleks yang merupakan karakteristik eukariota. Untuk alasan ini, proses pernafasan terjadi dalam invaginasi kecil membran plasma, sejalan dengan bagaimana hal itu terjadi di mitokondria.

Jenis

Ada dua tipe dasar respirasi, bergantung pada molekul yang bertindak sebagai akseptor akhir elektron. Dalam respirasi aerob, akseptornya adalah oksigen, sedangkan dalam anaerobik adalah molekul anorganik - walaupun dalam beberapa kasus tertentu akseptornya adalah molekul organik. Kami akan menjelaskan masing-masing secara rinci di bawah ini:

Pernapasan aerobik

Dalam organisme respirasi aerobik, akseptor terakhir elektron adalah oksigen. Langkah-langkah 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 anerobik

Akseptor terakhir terdiri dari molekul selain oksigen. Jumlah ATP yang dihasilkan oleh respirasi anaerobik bergantung pada beberapa faktor, termasuk organisme yang diteliti dan rute yang digunakan.

Namun, produksi energi selalu lebih tinggi pada respirasi aerobik, karena siklus Krebs hanya bekerja sebagian dan tidak semua molekul transporter dalam rantai ikut serta dalam respirasi.

Untuk alasan ini, pertumbuhan dan perkembangan individu anaerobik jauh lebih sedikit daripada individu aerobik.

Contoh organisme anaerobik

Dalam beberapa organisme oksigen beracun dan disebut anaerob ketat. Contoh paling terkenal adalah bakteri yang menyebabkan tetanus dan botulisme: Clostridium.

Selain itu, ada organisme lain yang dapat bergantian antara respirasi aerobik dan anaerob, disebut anaerob fakultatif. Dengan kata lain, mereka menggunakan oksigen jika cocok untuk mereka dan jika tidak ada mereka menggunakan respirasi anaerobik. Misalnya, bakteri terkenal Escherichia coli memiliki metabolisme ini.

Bakteri tertentu dapat menggunakan ion nitrat (NO ₃ ^- ) sebagai akseptor elektron terakhir, seperti genera 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 sulfur.

Proses

Glikolisis adalah jalur sebelum 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 seluler, 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, sehingga menimbulkan kompleks aceyl koenzim A.

Dalam reaksi ini, dua elektron dan satu ion hidrogen ditransfer ke NADP ⁺ , menghasilkan NADH dan dikatalisis oleh kompleks enzim dehidrogenase piruvat. Reaksi membutuhkan serangkaian kofaktor.

Setelah modifikasi ini, dua tahap dalam respirasi dimulai: siklus Krebs dan rantai transpor elektron.

Siklus Krebs

Siklus Krebs adalah salah satu reaksi siklus terpenting dalam biokimia. Ia juga dikenal dalam literatur sebagai siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat (TCA).

Ini dinamai penemunya: ahli biokimia Jerman Hans Krebs. Pada tahun 1953, Krebs dianugerahi Penghargaan Nobel untuk penemuan yang menandai bidang biokimia ini.

Sasaran dari siklus ini adalah pelepasan energi yang terkandung dalam asetil koenzim A. Secara bertahap siklus 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 memasuki siklus, empat molekul karbon dioksida dilepaskan, enam molekul NADH dan dua FADH ₂ dihasilkan . CO ₂ dilepaskan ke atmosfer sebagai zat limbah dari proses tersebut. GTP juga dihasilkan.

Karena jalur ini berpartisipasi dalam proses anabolik (sintesis molekul) dan katabolik (degradasi molekul), jalur ini disebut "amfibi".

Reaksi siklus Krebs

Siklus dimulai dengan fusi molekul asetil koenzim A dengan molekul oksaloasetat. Penyatuan ini menghasilkan molekul enam karbon: sitrat. Dengan demikian, koenzim A. Bahkan, koenzim ini sering digunakan kembali. Jika ada terlalu banyak ATP di dalam sel, langkah ini dihambat.

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 isocitrate oleh enzim aconitase. Langkah selanjutnya adalah konversi isocitrate menjadi alpha ketoglutarate oleh dehydrogenated isocitrate. Tahap ini relevan karena mengarah pada pengurangan NADH dan pelepasan karbon dioksida.

Alfa ketoglutarat diubah menjadi suksinil koenzim A oleh alfa ketoglutarat dehidrogenase, yang menggunakan kofaktor yang sama dengan piruvat kinase. NADH juga dihasilkan pada langkah ini dan, sebagai langkah awal, dihambat oleh ATP berlebih.

Produk selanjutnya adalah suksinat. Dalam pembuatannya terjadi pembentukan GTP. Perubahan suksinat menjadi fumarat. Reaksi ini menghasilkan FADH. Fumarat, pada gilirannya, menjadi malat dan akhirnya oksaloasetat.

Rantai transpor elektron

Tujuan rantai transpor elektron adalah untuk mengambil elektron dari senyawa yang dihasilkan pada langkah sebelumnya, seperti NADH dan FADH ₂ , yang berada pada tingkat energi tinggi, dan mendorongnya ke tingkat energi yang lebih rendah.

Penurunan energi ini berlangsung selangkah demi selangkah, 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 menjalankan fungsi spesifiknya 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 menjadi teka-teki, sampai ahli biokimia Peter Mitchell mengusulkan penggandengan 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 lolos 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 akan terbentuk.

fitur

Fungsi utama respirasi sel adalah pembangkitan energi berupa ATP untuk dapat diarahkan ke fungsi sel.

Hewan dan tumbuhan perlu mengekstrak energi kimia yang terkandung dalam molekul organik yang mereka gunakan untuk makanan. Dalam kasus sayuran, molekul ini adalah gula yang disintesis oleh tanaman itu sendiri dengan menggunakan energi matahari dalam proses fotosintesis yang terkenal.

Hewan, di sisi lain, tidak mampu mensintesis makanannya sendiri. Jadi, heterotrof mengonsumsi makanan dalam makanan - seperti kita, misalnya. Proses oksidasi bertugas mengekstraksi energi dari makanan.

Kita seharusnya tidak mengacaukan fungsi fotosintesis dengan fungsi respirasi. Tumbuhan, seperti hewan, juga bernapas. Kedua proses tersebut saling melengkapi dan memelihara dinamika dunia kehidupan.

Referensi

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Pengantar biologi sel. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi. Pendidikan Pearson.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Prinsip-prinsip zoologi yang terintegrasi. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., Prancis, K., & Eckert, R. (2002). Fisiologi hewan Eckert. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Pengantar mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Histologi fungsional: teks dan atlas berwarna. Harcourt.