METABOLISME - KATABOLISME ( RESPIRASI AEROB DAN RESPIRASI ANAEROB )

METABOLISME

Metabolisme (bahasa Yunani, metabole = berubah) adalah reaksi-reaksi kimiawi untuk mengubah zat-zat yang menghasilkan energi maupun memerlukan energi yang terjadi di dalam sel-sel tubuh. Proses metabolisme dibedakan menjadi dua, yaitu katabolisme dan anabolisme

Katabolisme : reaksi penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana

Anabolisme : reaksi penyusunan senyawa kompleks dari senyawa-senyawa sederhana. 

Poses metabolisme, baik katabolisme atau anabolisme melibatkan sejumlah enzim dalam reaksinya. Enzim diperlukan sebagai katalisator untuk mempercepat terjadinya reaksi, dan setiap reaksi memerlukan enzim-enzim yang spesifik. (uraian tentang enzim silahkan klik di sini)

Katabolisme

Di dalam setiap sel hidup terjadi proses metabolisme, salah satunya adalah katabolisme.  Katabolisme disebut pula desimilasi karena dalam proses ini energi yang tersimpan ditimbulkan kembali atau dibongkar untuk menyelenggarakan proses-proses kehidupan. Proses katabolisme yang akan kita bahas adalah katabolisme karbohidrat di dalam sel hidup, yaitu respirasi sel.  Respirasi sel menyangkut proses enzimatis di dalam sel, ketika molekul karbohidrat, asam lemak, dan asan amino diuraikan menjadi karbondioksida dan air dengan konvensi energi biologis yang sangat bermanfaat.

Katabolisme karbohidrat adalah proses penguraian atau pemecahan karbohidrat untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP. Karbohidrat untuk respirasi sel berupa gula heksosa, yaitu glukosa. Glukosa akan dioksidasi (reaksi yang memerlukan O2) untuk menghasilkan energi secara bertingkat melalui serangkaian reaksi yang disebut respirasi aerob. Namun, jika persediaan O2 di dalam sel tubuh kurang mencukupi, akan terjadi respirasi aerob.

1. Respirasi Aerob

Respirasi aerob adalah reaksi pemecahan senyawa glukosa dengan memerlukan oksigen. Bahan bakar pada proses respirasi adalah gula heksosa. Secara sederhana dapat dituliskan sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆ + 6CO₂ → 6 H₂O + 6CO₂ + Energi (ATP dan panas)

Tahapan respirasi aerob.  

Reaksi respirasi aerob terdiri dari 4 tahap, yaitu glikolisis, pemecahan molekul gula menjadi senyawa asam piruvat terjadi di sitoplasma. Selanjutnya, terjadi proses dekarboksilasi oksidatif di mitokondria yang mengubah asam piruvat menjadi asetil Co-A.  Setelah itu, terjadi tahapan ketiga, yaitu siklus krebs di mitokondria yang menghasilkan oksaloasetat dan asam sitrat.  Di tahapan terakhir, terjadi trannspor elektron di  membran dalam mitokondria yang menghasilkan H₂O dan energi.

a. Glikolisis

Glikolisis adalah serangkaian reaksi kimia yang mengubah gula heksosa, biasanya glukosa, menjadi asam piruvat.  Reaksi glikolisis berlangsung di dalam sitoplasma sel dan tidak memerlukan adanya oksigen. Glikolisis dapat dibagi dalam dua fase utama, yaitu :

• Tahap penggunaan energi

1. glukosa difosforilasi oleh ATP dan enzim heksokinase membentuk glukosa-6-fosfat dan ADP.
2. Glukosa 6-fosfat diubah menjadi isomernya yaitu fruktosa 6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoglukoisomerase..
3. Fosfofruktokinase mentransfer gugus fosfat dari ATP ke glukosa 6-fosfat menghasilkan fruktosa 1,6 bisfosfat.
4. Aldolase membagi molekul gula (fruktosa 1,6 bisfosfat) menjadi 2 molekul gula yang berbeda dan merupakan isomernya yaitu, gliseraldehid-3-fosfat (PGAL) dan dihidroksiaseton.
5. PGAL akan menjadi substrat glikolisis berikutnya.

• Tahap pelepasan energi

1. Triosafosfat dehidrogenase mengkatalisis pemindahan elektron dan H+ dari substrat (gliseraldehid fosfat) ke NAD+ membentuk NADH dan 1,3-bifosfogliserat.
2. Terbentuklah ATP. Kelompok fosfat ditransfer dari 1,3-bifosfogliserat ke ADP dibantu dengan enzim fosfogliserokinase. Setiap molekul glukosa menghasilkan dua molekul ATP. Sehingga terbentuk senyawa 3-fosfogliserat.9
3. Gugus fosfat dari 3-fosfogliserat dipindahkan sehingga menjadi 2-fosfogliserat oleh fosfogliseromutase.
4. 2-fosfogliserat melepaskan molekul H₂O sehingga terbentuk fosfoenol piruvat kinase (PEP) oleh enolase.
5. Piruvat kinase mentransfer gugus fosfat sehingga menghasilkan 2 ATP lagi.

Dari skema tahapan glikolisis menunjukkan bahwa energi yang dibutuhkan pada tahap penggunaan energi adalah 2 ATP (tahap 1 dan 3). Sementara itu, energi yang dihasilkan pada tahap pelepasan energi adalah 4 ATP (tahap 7 dan 10) dan 2 NADH.  Dengan demikian, hasil akhir glikolisis adalah 2 ATP + 2 NADH.

Jika kita amati lebih cermat lagi, kita akan mengetahui pada tahapan mana sajakah energi (ATP) dibentuk.  Nah, proses pembentukan ATP inilah yang disebut fosforilasi.  Pada tahapan glikolisis tersebut, enzim mentransfer gugus fosfat dari substrat (molekul organik dalam glikolisis) ke ADP sehingga prosesnya disebut fosforilasi tingkat substrat.  Perhatikan Gambar di bawah ini Keseluruhan reaksi glikolisis, dapat dibuat persamaaan reaksi sebagai berikut :

Glukosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺  →  2 Piruvat +2H₂O + 2ATP + 2NADH + 2H⁺

b. Dekarboksilasi Oksidatif

Dekarboksilasi oksidatif piruvat adalah reaksi antara yang menghasilkan asetil-CoA. Dekarboksilasi oksidatif piruvat adalah proses pengubahan asam piruvat yang dihasilkan pada tahap akhir glikolisis menjadi senyawa asetil-CoA, yang jika direaksikan dengan asam oksaloasetat akan masuk ke dalam siklus krebs.

Asam piruvat dari sitoplasma akan masuk ke dalam mitokondria dan menuju matriks mitokondria. Kemudian, gugus karboksil dalam piruvat dikeluarkan sebagai CO₂ yang berdifusi keluar dari sel.  NAD+ direduksi menjadi NADH.  Akhirnya, koenzim A diikatkan dan terbentuklah asetil CoA.   Asetil CoA kemudian akan masuk siklus krebs untuk diproses lebih lanjut menghasilkan energi.  Pada reaksi ini dihasilkan dua molekul asetil-CoA, energi sebanyak 2 NADH₂, dan 2 CO₂. Berikut ini adalah reaksi sederhana dekarboksilasi oksidatif piruvat:

 Asam piruvat + CoA + NAD⁺   →   Asetil-CoA + CO₂ + NADH + H⁺ 

c. Siklus Krebs

Siklus krebs (daur asam sitrat atau daur trikarboksilat) merupakan pembongkaran asam piruvat secara aerob menjadi karbondioksida dan air serta sejumlah energi kimia. Asetil-CoA merupakan mata rantai penghubung antara glikolisis dan siklus krebs. Reaksi ini berlangsung di dalam matriks mitokondria.

Tahap-tahap dalam siklus krebs adalah sebagai berikut:

1. Asetil Co-A akan berikatan dengan oksaloasetat membentuk sitrat, reaksi ini dikatalisis  enzim sitrat sintase.
2. Sitrat akan diubah menjadi isositrat oleh enzim akonitase.
3. Isositrat akan diubah menjadi alfa-ketoglutarat oleh ezim isositrat dehidrogenase. Dalam reaksi ini dilepaskan molekul CO₂ dan dihasilkan NADH.
4. Alfa-ketoglutarat akan diubah menjadi suksinil ko-A oleh enzim alfa ketoglutarat dehidrogenase. Dalam reaksi ini akan dilepaskan CO₂ dan dihasilkan NADH.
5. Suksinil ko-A akan diubah menjadi suksinat oleh enzim suksinil ko-A sintetase. Pada reaksi ini akan dihasilkan GTP yang kemudian dapat berubah menjadi ATP.
6. Suksinat akan diubah menjadi fumarat oleh enzim suksinat dehidrogenase. Pada reaksi ini akan dihasilkan FADH₂.
7. Fumarat akan diubah menjadi malat oleh enzim fumarase.
8. Malat akan diubah menjadi oksaloasetat oleh enzim malat dehidrogenase. Pada tahap ini juga dihasilkan NADH.

Pada reaksi siklus krebs (dua asetil-CoA) dihasilkan energi sebanyak 6 NADH₂, 2 FADH₂, 2 ATP dan 4 CO₂. Untuk lebih jelas, dapat diamati pada gambar berikut ini.

d. Transport Elektron

Proses glikolisis dan siklus krebs menghasilkan energi yang tersimpan dalam bentuk NADH dan FADH. Untuk menghasilkan ATP diperlukan sistem transpor elektron. Transpor elektron ini berlangsung di dalam membran mitokondria sebelah dalam.

Tahapan transfer elektron adalah sebagai berikut.

1. NADH akan melepaskan elektronnya (e^-) kepada komplek protein I. Peristiwa ini membebaskan energi yang memicu dipompanya H⁺ dari matriks mitokondria menuju ruang antar membran. NADH yang telah kehilangan elektron akan berubah menjadi NAD⁺.
2. Elektron akan diteruskan kepada ubiquinon.
3. Kemudian elektron diteruskan pada komplek protein III. Hal ini akan memicu dipompanya H⁺ keluar menuju ruang antar membran.
4. Elektron akan diteruskan kepada sitokrom c.
5. Elektron akan diteruskan kepada komplek protein IV. Hal ini juga akan memicu dipompanya H⁺  keluar menuju ruang antar membran.
6. Elektron kemudian akan diterima oleh molekul oksigen, yang kemudian berikatan dengan 2 ion H⁺  membentuk H₂O.
7. Bila dihitung, transfer elektron dari bermacam-macam protein tadi memicu dipompanya 3 H⁺  keluar menuju ruang antar membran. H⁺  atau proton tersebut akan kembali menuju matriks mitokondria melalui enzim yang disebut ATP sintase.
8. Lewatnya H⁺  pada ATP sintase akan memicu enzim tersebut membentuk ATP secara bersamaan. Karena terdapat 3 H⁺  yang masuk kembali ke dalam matriks, maka terbentuklah 3 molekul ATP.
9. Proses pembentukan ATP oleh enzim ATP sintase tersebut dinamakan dengan kemiosmosis.

Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut.

Pembentukan ATP dalam sistem transpor elektron (rantai respiratoris) dikenal juga sebagai fosforilasi oksidatif biologis.  Proses keseluruhan oksidasi biologis mempunyai dua fungsi yaitu menghasilkan energi dan menyediakan senyawa antara untuk sintesis. Jika dihitung jumlah ATP yang dihasilkan dalam oksidasi biologis, dengan bahan awal adalah satu molekul glukosa, maka akan diperoleh 38 molekul ATP.

2. Respirasi Anaerob

Respirasi anaerob adalah suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam bahan bakar organik (misalnya karbohidrat) melalui serangkaian reaksi tanpa melibatkan oksigen. Respirasi anaerob disebut juga fermentasi. Fermentasi dapat terjadi pada jamur bersel satu, bakteri yang hidup di rawa/lumpur yang miskin oksigen, sel hewan maupun sel manusia.

Respirasi anaerob terdiri atas dua tahapan reaksi, yaitu glikolisis dan transport elektron. Glikolisis pada respirasi anaerob sama seperti glikolisis pada respirasi aerob, yaitu satu molekul glukosa diubah menjadi 2 Asam piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Proses transport elektron pada respirasi anaerob terjadi dari NADH ke asam piruvat atau turunan asan piruvat sehingga dihasilkan NAD⁺ . Kemudian NAD⁺ akan masuk kembali ke glikolisis.

berdasarkan produknya, jenis fermentasi yang umum yaitu fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.

Fermentasi Alkohol

Fermentasi alkohol dilakukan oleh bakteri anaerob dan ragi (yeast). Fermentasi alkohol dapat terjadi pada proses pembuatan minuman anggur (bir) dan tapai. Mekanisme reaksi fermentasi alkohol adalah sebagai berikut:

1. Bahan baku glukosa (6 C) diubah menjadi asam piruvat (3 C) melalui rentetan reaksi glikolisis;
2. Asam piruvat (3 C) melepaskan CO₂ menjadi asetaldehida (2 C);
3. Asetaldehida (2 C) direduksi oleh NADH menghasilkan etanol dan melepaskan NAD⁺ ;
4. NAD⁺ masuk kembali ke dalam reaksi glikolisis. Sementara itu, asetaldehida berperan sebagai akseptor elektron.

Hasil fermentasi alkohol setiap 1 molekul glukosa yaitu 2 etanol, 2 CO₂ , 2 ATP. Reaksi sederhana fermentasi alkohol adalah sebagai berikut:

Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat terjadi pada sel otot hewan dan manusia ketika kekurangan oksigen. Hal ini terjadi jika katabolisme gula untuk membentuk ATP melebihi pasokan oksigen dalam darah. Pada sel hewan (juga manusia) terutama pada sel-sel otot yang bekerja keras, energi yang tersedia tidaklah seimbang dengan kecepatan pemanfaatan energi karena kadar O₂ yang tersedia tidak mencukupi untuk kegiatan respirasi aerob (reaksi yang membutuhkan oksigen). Mekanisme reaksi fermentasi asam laktat adalah sebagai berikut:

1. Glikolisis mengubah glukosa (6 C) menjadi asam piruvat (3 C).
2. Asam piruvat langsung direduksi oleh NADH sehingga membentuk asam laktat (3 C) dan melepaskan NAD⁺.
3. NAD⁺ masuk kembali ke glikolisis. Asam piruvat berperan sebagai akseptor elektron.

hasil fermentasi asam laktat yaitu 2 asam laktat dan 2 ATP. Reaksi sederhana fermentasi asam laktat adalah sebagai berikut:

Katabolisme Lemak dan Protein

Selain karbohidrat, bahan katabolisme untuk menghasilkan ATP yaitu lemak dan protein. Jumlah ATP yang dihasilkan dalam setiap satu molekul protein sama dengan karbohidrat, yaitu 38 ATP. Sedangkan satu molekul lemak menfhasilkan 48 ATP. 

Protein dihidrolisis menjadi asam amino. Asam amino dimanfaatkan sebagai bahan bakar setelah menfalami deaminasi. Asam amino gliserin, serin, alanin, dan sistein, masuk ke jalur respirasi reaksi transisi setelah diubah menjadi asam piruvat. Asam amino fenilalanin, isoleusin, leusin, treonin, lisin, triptofan, dan tirosin, masuk ke siklus krebs setelah diubah menjadi asetil ko-A. Asparagin dan asam aspartat masuk ke siklus krebs setelah diubah menjadi asam oksaloasetat. Glutamin, glutamat, arginin, histidin, dan prolin masuk ke siklus Krebs setelah diubah menjadi asam alfaketoglutarat. 

Lemak dikatabolisme menjadi gliserol dan asam lemak. Gliserol diubah menjadi PGAL (gliseraldihidea fosfat), akan masuk ke jalur glikolisis. Asam lemak diubah menjadi asetil ko-A yang akan  masuk ke siklus Krebs. 

DAFTAR PUSTAKA

Irnaningtyas. 2018. Biologi Untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta : Penerbit Erlangga.

Yani Nurhayati. 2019. Bahan Ajar Biologi SMA Kelas XII "What is Metabolisme". Yogyakarta: PPGDJ 2019.