Respirasi sel adalah proses di mana organisme hidup memperoleh energi dari makanan. Ada dua metode utama. Respirasi aerobik – digunakan oleh semua bentuk kehidupan multiseluler dan beberapa uniseluler – menggunakan oksigen di atmosfer, atau dilarutkan dalam air, sebagai bagian dari proses kompleks yang melepaskan dan menyimpan energi. Respirasi anaerobik digunakan oleh berbagai organisme bersel tunggal dan tidak melibatkan oksigen yang tidak tergabung.
Munculnya Respirasi Aerobik
Bentuk kehidupan pertama di Bumi muncul di dunia tanpa oksigen bebas. Mereka menggunakan proses anaerobik untuk menyediakan energi bagi diri mereka sendiri. Pada titik tertentu, masih di awal sejarah Bumi, organisme berevolusi yang menggunakan fotosintesis untuk menghasilkan molekul gula menggunakan karbon dioksida, yang diperoleh dari atmosfer, dan air. Gula berfungsi sebagai sumber energi dan prosesnya menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan. Oksigen beracun bagi banyak organisme anaerobik, tetapi beberapa berevolusi untuk menggunakannya dalam jenis respirasi baru yang sebenarnya menyediakan lebih banyak energi daripada proses anaerobik.
Bentuk kehidupan paling awal terdiri dari sel-sel yang tidak memiliki inti atau struktur lain yang terdefinisi dengan baik. Ini dikenal sebagai prokariota dan terdiri dari organisme seperti bakteri dan cyanobacteria, juga dikenal sebagai ganggang biru-hijau. Kemudian, sel-sel dengan inti dan struktur lain muncul; ini dikenal sebagai eukariota. Mereka termasuk beberapa organisme uniseluler dan semua multiseluler, seperti tumbuhan dan hewan. Semua eukariota dan beberapa prokariota menggunakan respirasi aerobik.
Cara Kerja Respirasi Aerobik
Sel menyimpan energi dalam molekul yang disebut adenosin trifosfat (ATP). Senyawa ini mengandung tiga gugus fosfat (PO4), tetapi dapat melepaskan energi dengan kehilangan salah satunya untuk membentuk adenosin difosfat (ADP). Sebaliknya, ADP dapat memperoleh gugus fosfat menjadi ATP, sehingga menyimpan energi.
Molekul penting lainnya adalah nicotinamide adenine dinucleotide. Itu bisa ada dalam dua bentuk: NAD+, yang dapat menerima dua elektron dan satu ion hidrogen (H+) untuk membentuk NADH, yang dapat memberikan elektron ke molekul lain. Senyawa ini digunakan dalam respirasi untuk mengangkut elektron dari satu tempat ke tempat lain.
Titik awal untuk respirasi adalah glukosa (C6H12O6), salah satu karbohidrat paling sederhana. Molekul gula yang lebih kompleks dalam makanan pertama kali dipecah menjadi senyawa ini. Glukosa pada gilirannya dipecah oleh proses yang disebut glikolisis, yang terjadi di sitoplasma, atau cairan sel, dan umum untuk respirasi anaerobik dan aerobik.
Glikolisis
Proses glikolisis menggunakan dua molekul ATP untuk mengubah glukosa, yang memiliki enam atom karbon, menjadi dua molekul tiga karbon dari senyawa yang disebut piruvat dalam serangkaian langkah. Pada akhir proses ini, empat molekul ATP diproduksi, sehingga ada perolehan keseluruhan dua ATP, yang mewakili perolehan energi yang tersimpan. Glikolisis juga menghasilkan dua molekul NAD+ yang masing-masing mengambil dua elektron dan satu ion hidrogen dari glukosa untuk membentuk NADH. Secara keseluruhan, oleh karena itu, glikolisis menghasilkan dua molekul piruvat, dua ATP dan dua NADH.
Dalam sel eukariotik, tahap respirasi aerobik yang tersisa terjadi dalam struktur yang dikenal sebagai mitokondria. Organ-organ kecil ini diperkirakan pernah menjadi organisme independen yang tergabung ke dalam sel pada suatu waktu di masa lalu. Setiap molekul piruvat diubah, dengan bantuan NAD+, menjadi senyawa yang disebut asetil koA, kehilangan satu atom karbon dan dua oksigen untuk membentuk karbon dioksida sebagai produk limbah dan membentuk molekul NADH lainnya.
Siklus Krebs
Tahap selanjutnya disebut siklus Krebs, juga dikenal sebagai asam trikarboksilat (TCA) atau siklus asam sitrat. Asetil koA dari piruvat bergabung dengan senyawa yang disebut oksaolasetat untuk menghasilkan sitrat, atau asam sitrat, yang, dalam serangkaian langkah yang melibatkan NAD+, menghasilkan ATP serta NADH dan molekul lain yang disebut FADH2, yang memiliki fungsi serupa. Hal ini menyebabkan asam sitrat diubah kembali menjadi oksaloasetat untuk memulai siklus lagi. Setiap siklus selesai menghasilkan dua molekul ATP, delapan NADH dan dua FADH2 dari dua molekul piruvat.
Fosforilasi Transpor Elektron
Tahap akhir dikenal sebagai fosforilasi transpor elektron, atau fosforilasi oksidatif. Pada titik ini dalam proses, elektron yang dibawa oleh NADH dan FADH2 digunakan untuk menyediakan energi untuk mengikat gugus fosfat ke molekul ADP untuk menghasilkan hingga 32 molekul ATP. Ini terjadi di membran mitokondria melalui serangkaian lima protein, di mana elektron diangkut. Oksigen, yang siap menerima elektron, diperlukan untuk menghilangkannya di akhir proses. Oksigen kemudian bergabung dengan ion hidrogen yang dilepaskan dari NADH untuk membentuk air.
Efisiensi
Secara keseluruhan, proses respirasi aerobik dapat, secara teori, menghasilkan hingga 36 molekul penyimpan energi ATP untuk setiap molekul glukosa, dibandingkan dengan hanya dua untuk respirasi anaerob, menjadikannya proses yang jauh lebih hemat energi. Namun, dalam praktiknya, diperkirakan bahwa sekitar 31 atau 32 molekul ATP biasanya diproduksi, karena reaksi lain dapat terjadi pada tahap akhir. Meskipun proses ini merupakan cara yang sangat efisien untuk menghasilkan dan menyimpan energi, proses ini juga menghasilkan sejumlah kecil bentuk oksigen yang sangat reaktif, yang dikenal sebagai peroksida dan superoksida. Ini berpotensi merusak sel dan diperkirakan oleh beberapa ilmuwan bahwa mereka mungkin terlibat dalam penuaan dan beberapa penyakit.