RESPIRASI

Rumus umum untuk respirasi selular adalah C6H12O6 + 6O2  6 CO2 + 6 H2O + ATP Ada tiga tipe jalur metabolisme yang menghasilkan energi. Respirasi aerobik tipe yang paling umum terjadi dalam sel dan merupakan jalur utama penghasil energi yang menghasilkan ATP (pembentukan ATP), molekul energi biologi. Istilah aerobik menunjukkan makna bahwa jalur aerobik tidak dapat berlangsung tanpa tersedianya oksigen yang cukup. Setiap pernafasan yang kau ambil, kau memasukkan oksigen yang diperlukan sel untuk melangsungkan jalur aerobik ini.

jalur fermentasi dan transport elektron anaerob, menggunakan nitrat, sulfat. Kebanyakan bakteri dan protista lain sangat mengandalkan jalur anaerob untuk membuat atau mengahasilkan ATP yang diperlukannya. Ketiga tipe jalur metabolisme penghasil energi tersebut memulai prosesnya dengan reaksi yang sama yang disebut reaksi glikolisis. Reaksi glikolisis memecah glukosa menjadi dua molekul asam piruvat. Reaksi glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel tanpa peranan oksigen.

Setelah reaksi glikolisis jalur berikutnya bisa berbeda, bisa aerobik, bisa anaerob, tergantung kebutuhan sel dan atau ketersediaan oksigen dalam sel. Apabila jalur melalui aerob yang ditempuh, maka proses akan dilangsungkan dalam organel mitrokondria. Dalam mitokondria oksigen adalah penerima elektron terakhir yang dilepaskan selama proses reaksi. Apabila jalur anaerob yang dipilih maka proses metabolisme berlangsung tetap pada sitoplasma sel dan substansi selain oksigen dalam sitoplasma adalah penerima elektron terakhir. Dalam ketiga jalur tersebut, reaksi tidak dapat mereka langsungkan sendiri, tetapi harus dibantu enzim.

Respirasi Aerobik Respirasi aerobik adalah jalur yang paling banyak menghasilkan energi ATP dari satu molekul glukosa, yaitu satu molekul glukosa melalui jalur respirasi aerobik dapat dihasilkan 38 ATP, bila lewar jalur fermentasi satu molekul glukosa dihasilkan 2 ATP.

KATABOLISME KARBOHIDRAT Katabolisme : Penguraian sel menghasilkan energi Anabolisme : Pembentukan sel menggunakan energi

Glikolisis Terjadi di sitoplasma. Memotong 1 molekul gula berkarbon 6 menjadi 2 molekul gula berkarbon 3 (asam piruvat adalah hasil akhir). Tidak menghasilkan banyak energi (hanya dihasilkan 2 ATP), tetapi dapat berlangsung sangat cepat dan tidak membutuhkan oksigen (anaerobik).

ADP ATP ADP ATP glukosa glukosa 6-fosfat fruktosa 6-fosfat Figure: 07-05a Title: Summary of glycolysis. Caption: In glycolysis, the single glucose molecule is transformed in a series of steps into two molecules of a substance called pyruvic acid. These two molecules then move on to the next stage of cellular respiration (the Krebs cycle). Meanwhile, glycolysis also produces two molecules of electron-carrying NADH, which move directly to the electron transport chain. Although two molecules of ATP are used up in the earlier stages of glycolysis, four more are produced in the later stages, for a net production of two ATP molecules per glucose molecule. The carbon atoms are represented by red circles, and the phosphate groups are represented by yellow circles. fruktosa 6-fosfat ADP ATP fruktosa 1,6-difosfat

1 NADH -- 3 ATP 2 NAD+ + 2 P + 2 H+ 2 ADP 2 ATP 2 ADP 2 ATP fruktosa 1,6-difosfat 1 NADH -- 3 ATP gliseraldehida 3-fosfat 2 NAD+ + 2 P 2 NADH + 2 H+ Asam 1,3-difosfogliserat Figure: 07-05b Title: Summary of glycolysis. Caption: In glycolysis, the single glucose molecule is transformed in a series of steps into two molecules of a substance called pyruvic acid. These two molecules then move on to the next stage of cellular respiration (the Krebs cycle). Meanwhile, glycolysis also produces two molecules of electron-carrying NADH, which move directly to the electron transport chain. Although two molecules of ATP are used up in the earlier stages of glycolysis, four more are produced in the later stages, for a net production of two ATP molecules per glucose molecule. The carbon atoms are represented by red circles, and the phosphate groups are represented by yellow circles. 2 ADP 2 ATP Asam 3-fosfogliserat 2 ADP 2 ATP Asam piruvat

Glikolisis Beberapa bakteri dan jasad eukaryot hanya menggunakan Glikolisis sebagai cara untuk memperoleh energi. Fermentasi alkohol yang dilakukan khamir pada keadaan tanpa oksigen mengubah asam piruvat menjadi alkohol. Fermentasi asam laktat yang terjadi di banyak sel jaringan hewan pada keadaan tanpa oksigen mengubah asam piruvat menjadi asam laktat.

PERHITUNGAN ENERGI GLIKOLISIS Membutuhkan 2 ATP. Menghasilkan energi cukup untuk menggabungkan fosfat ke 4 molekul ADP membentuk 4 ATP. Hasil 4 ATP – perlu 2 ATP = Hasil bersih 2 ATP. Jika aerob 2NADH masuk ke transport e dan fosforilasi oksidatif 6ATP

Tahap-Tahapan Glikolisis

1. Hexokinase mengkatalisis: Glucose + ATP  glucose-6-P + ADP Reaksi sangat spontan ∆G⁰ = − 4 kkal/mol

2. Phosphoglucose Isomerase mengkatalisis: glucose-6-P (aldose) fructose-6-P (ketose) ∆G⁰ = − 4 kkal/mol

3. Phosphofructokinase mengkatalisis: fructose-6-P + ATP  fructose-1,6-bisP + ADP reaksi Sangat spontan ∆G⁰ = − 3,4 kkal/mol

∆G⁰ = + 5,7 kkal/mol 4. Aldolase mengkatalisis: fructose-1,6-bisphosphate dihydroxyacetone-P + glyceraldehyde-3-P ∆G⁰ = + 5,7 kkal/mol

5. Triose Phosphate Isomerase (TIM) mengkatalisis: dihydroxyacetone-P glyceraldehyde-3-P ∆G⁰ = +1,8 kkal/mol

6. Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase mengkatalisis: glyceraldehyde-3-P + NAD+ + Pi  1,3-bisphosphoglycerate + NADH + H+ ∆G⁰ = +1,5 kkal/mol

NAD+ menerima 2 e- dan H+ menjadi NADH

7. Phosphoglycerate Kinase mengkatalisis: 1,3-bisphosphoglycerate + ADP 3-phosphoglycerate + ATP

8. Phosphoglycerate Mutase mengkatalisis: 3-phosphoglycerat  2-phosphoglycerate fosfat dipindahkan dari OH pada C3 ke OH pada C2.

9. Enolase mengkatalisis: 2-phosphoglycerate phosphoenolpyruvate + H2O Reaksi ini membutuhkan Mg++ , 2 Mg++ bereaksi dengan atom oksigen gugus carboxyl substrat pada sisi aktif, menstabilkan enolat.

10. Pyruvate Kinase mengkatalisis: phosphoenolpyruvate + ADP  pyruvate +ATP

phosphate ditransfer dari PEP ke ADP secara spontan. PEP mempunyai DG hidrolisis lebihbesar dari ATP. Diperlukan cations K+ dan Mg++ mengikat residu anionik pada sisi aktif Pyruvate Kinase.

Glycolysis continued.

RESPIRASI SEL (dalam mitokondria) Tiga tahap perolehan energi Glikolisis Daur Krebs Rangkaian transpor elektron

Rangkaian transpor elektron membrandalam glikolisis membrane luar H+ H+ H+ H+ H+ Rangkaian transpor elektron Daur Krebs H+ H+ H+ Figure: 07-06b Title: Energy transfer in the mitochondria. Caption: Mitochondria are organelles, or “tiny organs,” that exist within cells. They are the location for the second and third sets of steps in cellular respiration, the Krebs cycle and the electron transport chain. Following a transitional step (see Figure 7.7), the products of glycolysis—the downstream products of the original glucose molecule—pass into the inner compartment of a mitochondrion, where the Krebs cycle takes place. Electrons derived from the Krebs cycle then migrate, via electron carriers, from the Krebs cycle site into the highly folded inner membrane of the mitochondrion, where the bulk of ATP is produced in the electron transport chain. H+ e- O2 kompartemen luar H2O kompartemen dalam

Peralihan antara Glikolisis dan Daur Krebs Asam piruvat hasil glikolisis menuju ke mitokondria. Berikatan dengan koenzim A membentuk asetil koA, 1 molekul NADH, dan CO2. Daur Krebs terjadi di kompartemen dalam dari mitokondria.

Menuju ke rangkaian transpor elektron glikolisis mitokondrion Asam piruvat cytosol NAD+ koenzim A NADH Menuju ke rangkaian transpor elektron Figure: 07-07 Title: Transition between glycolysis and the Krebs cycle. Caption: The pyruvic acid product of glycolysis does not enter directly into the Krebs cycle. Rather, it must first be transformed into acetyl coenzyme A. The consequences of this reaction are the production of CO2, which dissolves into the bloodstream, and the production of an NADH molecule, which continues onto the electron transport chain. Because one molecule of glucose produces two molecules of pyruvic acid, two molecules of NADH are produced per glucose molecule in this transitional step. koA asetll koenzim A CO2 Kompartemen dalam Daur Krebs

Rangkaian transpor elektron Ringkasan Daur Krebs 6 NADH GLYCOLYSIS 2 FADH2 CoA Daur Krebs asetil koenzim A CO2 2 ATP Rangkaian transpor elektron 1. asam oksaloasetat asam sitrat NAD+ NADH NADH NAD+ 2. 6. CO2 Figure: 07-08 Title: Summary of the Krebs cycle. Caption: The Krebs cycle is the major source of electrons that are transported to the electron transport chain by the electron carriers NADH and FADH2. For each molecule of glucose, two molecules of acetyl coenzyme A enter the Krebs cycle. Through a series of reactions, a total of 6 NADH, 2 FADH2, and 2 ATP are produced per glucose molecule. (From counting the number of NADH and FADH2 around the cycle, it would appear that only 3 NADH and 1 FADH2 are produced, but remember that one molecule of glucose results in two “trips” around the cycle, as two molecules of acetyl coenzyme A will enter the Krebs cycle for every molecule of glucose that is metabolized.) asam a-ketoglutarat asam malat 3. CO2 FADH2 FAD+ NAD+ NADH 5. ADP 4. asam suksinat turunan asam a-ketoglutarat ATP

Jalur reaksi Siklus Kreb’s

Ringkasan Daur Krebs Asetil koA didegradasi sempurna menjadi CO2. Hanya 1 ATP yang dihasilkan dari setiap asetil koA yang memasuki Daur Krebs (total 2 ATP tiap glukosa). Semua elektron dapat diikat dalam bentuk 6 NADH (per glukosa) untuk diproses lebih lanjut melalui rangkaian transpor elektron.

Glikolisis ( 1 glukosa): Respirasi Aerob 2 ATP 2 NADH 6 ATP 2 Asam piruvat 2 asetil-KoA = 2 NADH = 6 ATP Siklus Krebs: 1 glukosa 6 NADH =18 ATP 2 FADH2 = 4 ATP 2 ATP = 2 ATP Total 38 ATP

Katabolisme, Transfer Elektron dan Reaksi Oksidasi Reduksi Elektron dibebaskan dari oksidasi nutrisi selama katabolisme. Elektron dipindahkan oleh pembawa elektron melalui suatu proses untuk menghasilkan ATP.

Oksidasi - Reduksi Oksidasi: Pengambilan/pemindahan elektron dari suatu senyawa. Reduksi: Penambahan/pemberian elektron kepada suatu senyawa.

OKSIDASI-REDUKSI DALAM SEL Dalam sel hidup, beragam molekul terlibat dalam proses transfer energi. Masing-masing molekul memiliki kecenderungan untuk mendapatkan atau kehilangan elektron. Di dalam sel, proses oksidasi dan reduksi tidak terjadi secara terpisah. Proses oksidasi-reduksi yang terjadi berpasangan disebut REAKSI REDOKS.

PEMBAWA ELEKTRON Molekul yang memindahkan elektron selama proses oksidasi reduksi di dalam sel. NADH, FADH2 adalah molekul pembawa elektron

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) Di dalam sel, NAD terdapat dalam 2 bentuk: Bentuk membawa elektron atau atom hidrogen ( NADH) dan tanpa atom hidrogen (NAD+). NAD+ berperan sebagai senyawa pengoksidasi, bila menerima atom hidrogen dan elektron, menjadi NADH.

NAD (Nikotinamida Dinukleotida) NADH dapat memindahkan elektron ke molekul lain, dan kembali menjadi NAD. Proses pemindahan ini dikendalikan/dilakukan oleh enzim.

NAD+/NADH NAD+ + 2e- + H+  NADH. atau NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+

FAD menerima 2 e- + 2 H+ FAD + 2 e- + 2 H+  FADH2

NAD+ adalah koenzim, yang secara bolak balik dapat terikat dan tak terikat ke enzim. FAD adalah gugus prostetik , yg tetap terikat kuat di sisi aktif enzim.

Rangkaian Transpor Elektron NADH memindahkan elektron ke suatu rangkaian molekul yang terdapat di membran dalam mitokondria. Perpindahan elektron mengakibatkan perpindahan ion H+ melawan gradien konsenrasi.

Rangkaian Transpor Elektron Energi yang terbentuk pada saat masuknya kembali ion H+ ke dalam mitokondria melalui ATP sintase, digunakan untuk menggabungkan fosfat dengan ADP untuk membentuk ATP.

Rangkaian Transpor Elektron Di akhir rangkaian O2 + 2 electrons + 2 H+ = H2O. Penyebab kebutuhan oksigen.

RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON mitokondria GLYCOLYSIS KREBS CYCLE inner membrane ELECTRON TRANSPORT CHAIN 32 ATP inner compartment O2 H2O outer compartment Kompartemen bagian luar SINTESIS ATP H+ H+ H+ H+ H+ inner membrane H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Figure: 07-09 Title: The electron transport chain. Caption: The movement of electrons through the ETC powers the process that provides the bulk of the ATP yield in respiration. The electrons carried by NADH and FADH2 are released into the ETC and transported along its chain of molecules. The movement of electrons along the chain releases enough energy to power the pumping of hydrogen ions (H+) across the membrane into the outer compartment of the mitochondrion. It is the subsequent energetic “fall” of the H+ ions back into the inner compartment that drives the synthesis of ATP molecules by the enzyme ATP synthase. H+ H+ H+ NADH H+ ATP synthesis NAD+ 2 H+ + 1/2 O2 ADP + P Kompartemen bagian dalam H2O ATP RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON

Molekul lain yang digunakan pada respirasi food PROTEIN KARBOHIDRAT LEMAK amino acids sugars glycerol fatty acids Molekul lain yang digunakan pada respirasi GLIKOLISIS glukosa Asam piruvat acetyl CoA Figure: 07-10 Title: Many respiratory pathways. Caption: Glucose is not the only starting material for cellular respiration. Other carbohydrates, proteins, and fats can also be used as fuel for cellular respiration. These reactants enter the process at different stages. DAUR KREB NH3 (ammonia) RANGKAIAN TRANSPOR ELEKTRON