Energi dan respirasi

Sel membutuhkan pasokan energi yang stabil, yang mereka peroleh dari respirasi. Energi diperlukan untuk:

• transportasi aktif (memindahkan zat melawan gradien),
• gerakan (misalnya kontraksi otot),
• reaksi anabolik — pembentukan molekul besar, seperti pada replikasi DNA dan sintesis protein.

ATP adalah molekul yang membawa energi ke tempat yang dibutuhkan. ATP dibuat dari ADP dan gugus fosfat; ketika kehilangan gugus fosfat tersebut lagi, ATP melepaskan ledakan energi kecil yang dapat digunakan. ATP sangat cocok untuk tugas ini, sehingga kita menyebutnya mata uang energi universal:

• melepaskan energi dengan cepat, dalam jumlah kecil yang sesuai dengan kebutuhan sel.
• mudah dibuat dan dibentuk kembali, berulang kali.
• ukurannya kecil dan larut, sehingga bergerak dengan mudah di dalam sel.

ATP diproduksi dengan dua cara: melalui transfer langsung gugus fosfat dalam reaksi fosforilasi, dan melalui kemiosmosis melintasi membran mitokondria dan kloroplas.

Substrat respirasi adalah molekul yang diuraikan untuk melepaskan energi. Per gram, lipid menghasilkan energi paling banyak (karena memiliki hidrogen terbanyak), protein berada di urutan kedua, dan karbohidrat menghasilkan paling sedikit.

Kuotien respirasi (RQ) membandingkan gas-gas yang ditukar:

Anda dapat menghitung RQ dari persamaan respirasi. Karbohidrat memberikan RQ sekitar 1,0, lipid sekitar 0,7, dan protein sekitar 0,9.

Contoh kerja. Temukan RQ untuk respirasi aerob glukosa: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.

Itulah mengapa RQ mendekati $1.0$ mengindikasikan organisme sedang respirasi menggunakan karbohidrat; RQ yang lebih rendah (sekitar $0.7$) mengindikasikan penggunaan lipid, yang membutuhkan lebih banyak oksigen per molekul $\text{CO}_2$.

Respirometer mengukur oksigen yang diserap oleh makhluk hidup, seperti benih berkecambah atau invertebrata kecil, dan digunakan untuk menentukan RQ mereka.

Respirasi aerob (dengan oksigen) memiliki empat tahap, masing-masing terjadi di tempat tertentu dalam sel:

Glikolisis

Glukosa (6 karbon) pertama-tama difosforilasi, menggunakan 2 ATP, untuk membentuk fruktosa bifosfat (6C). Molekul 6C ini pecah menjadi dua molekul triosa fosfat (masing-masing 3C). Kemudian keduanya teroksidasi menjadi piruvat (3C). Glikolisis menghasilkan keuntungan bersih 2 ATP dan beberapa NAD tereduksi (NAD adalah koenzim, molekul pembantu).

Reaksi penghubung

Ketika oksigen tersedia, piruvat memasuki mitokondria. Di sana, setiap piruvat melepaskan karbon dioksida dan diubah menjadi gugus asetil 2-karbon. Gugus ini dibawa oleh koenzim AA untuk membentuk asetil koenzim A. Sebagian karbon dioksida dilepaskan dan NAD tereduksi.

Siklus Krebs

Gugus asetil 2C bergabung dengan molekul 4-karbon, oksaloasetat, membentuk molekul 6-karbon, sitrat. Sitrat kemudian diubah kembali menjadi oksaloasetat dalam serangkaian langkah kecil, siap menerima gugus asetil berikutnya. Selama langkah-langkah ini:

• dekarboksilasi menghilangkan karbon sebagai karbon dioksida.
• dehidrogenasi menghilangkan hidrogen, yang mereduksi koenzim NAD dan FAD.

NAD tereduksi dan FAD kemudian membawa hidrogen ke pembawa di membran dalam mitokondria.

Fosforilasi Oksidatif

Tahap ini menghasilkan sebagian besar ATP:

1. atom hidrogen terpecah menjadi proton dan elektron berenergi tinggi.
2. elektron mengalir sepanjang rantai transpor elektron, melepaskan energi saat bergerak.
3. energi ini digunakan untuk memompa proton melintasi membran dalam.
4. proton mengalir kembali ke matriks melalui saluran yang disebut ATP sintase ATP. Aliran ini menyediakan energi untuk membuat ATP (ini adalah kemiosmosis).
5. oksigen adalah penerima elektron terakhir: ia bergabung dengan elektron dan proton untuk membentuk air.

Struktur Mitokondria

Membran dalam melipat menjadi krista, memberikan permukaan luas bagi rantai transpor elektron dan ATP sintase. Matriks di dalamnya menyimpan zat-zat dan pembantu untuk reaksi penghubung dan Siklus Krebs.

Ketika tidak ada oksigen, hanya glikolisis yang dapat berjalan. Agar glikolisis tetap berlangsung, sel harus mengonsumsi NAD tereduksi. Hal ini terjadi melalui fermentasi:

• pada mamalia, piruvat diubah menjadi laktat (fermentasi laktat). Laktatlater diuraikan ketika oksigen kembali.
• pada ragi, piruvat diubah menjadi etanol dan karbon dioksida (fermentasi etanol).

Respirasi anaerobik menghasilkan energi jauh lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik. Respirasi aerobik juga menjalankan siklus Krebs dan fosforilasi oksidatif, yang melepaskan lebih banyak ATP, sementara respirasi anaerobik hanya mendapatkan jumlah kecil dari glikolisis.

Padi dapat tumbuh dengan akarnya di bawah air, di mana kadar oksigennya sangat rendah. Tumbuhan ini beradaptasi dalam tiga cara: mengembangkan aerenkim (ruang berisi udara) di akar untuk mengalirkan udara ke bawah; akar menggunakan fermentasi etanol agar tetap memproduksi sedikit ATP; dan batang tumbuh lebih cepat untuk mencapai udara di atas permukaan air.

Indikator redoks seperti DCPIP atau metilen biru kehilangan warnanya ketika menerima hidrogen dari sel-sel yang bernapas. Semakin cepat warna hilang, semakin cepat ragi bernapas, sehingga Anda dapat menguji pengaruh suhu atau konsentrasi substrat. Respirometer juga dapat digunakan untuk mengukur bagaimana perubahan suhu memengaruhi laju penyerapan oksigen.

• Sebutkan di mana setiap tahap terjadi dan hasil ATP-nya: glikolisis (sitoplasma), reaksi penghubung + Siklus Krebs (matriks), fosforilasi oksidatif (membran dalam, menghasilkan paling banyak ATP).
• Jelaskan peran NAD/FAD (membawa hidrogen ke rantai transpor elektron) dan oksigen (penerima elektron terakhir).
• RQ $=$ CO2 diproduksi $\div$ O2 digunakan ($\approx 1.0$ karbohidrat, $0.7$ lipid); pahami bagaimana respirometer mengukurnya.
• Respirasi anaerob menghasilkan laktat (hewan) atau etanol + CO2 (ragi/tumbuhan) dan jauh lebih sedikit ATP (hanya glikolisis).