Respirasi Aerob (Pengertian dan Tahapan Respirasi Aerob | Glikolisi, Siklus Krebs, Transfer Elektron)

Respirasi aerob adalah proses respirasi yang menggunakan oksigen. Dari peristiwa tersebut akan dihasilkan energi dalam bentuk Adenosin Trifosfat (ATP) dan CO2 serta H2O (sebagai hasil sisa). Secara sederhana, proses respirasi aerob pada glukosa dituliskan sebagai berikut.

Glukosa adalah monosakarida yang mengandung enam atom karbon. Glukosa merupakan sumber energi penting bagi makhluk hidup. Hewan mendapat glukosa dengan memecah makanan melalui proses pencernaan. Adapun tumbuhan membentuk glukosa melalui fotosintesis.

Sumber: Concise Encyclopedia Nature, 1994

Tahapan Respirasi Aerob

    Apakah respirasi aerob terjadi sesederhana reaksi ini? Proses respirasi aerob melewati tiga tahap, yaitu:

1. Glikolisis,
2. Siklus Krebs, dan
3. Rantai transfer elektron.

1. Glikolisis
    Glikolisis merupakan rangkaian reaksi pengubahan molekul glukosa menjadi asam piruvat dengan menghasilkan NADH dan ATP.

Sifat-sifat glikolisis ialah:

• Berlangsung secara anaerob.
• Dalam glikolisis terdapat kegiatan enzimatis dan ATP serta ADP (Adenosin Diphosfat).
• ADP dan ATP berperan dalam pemindahan fosfat dari molekul satu ke molekul yang lain.

    Glikolisis merupakan serangkaian reaksi yang terjadi di sitosol pada hampir semua sel hidup. Pada tahap ini, terjadi pengubahan senyawa glukosa dengan 6 atom C, menjadi dua senyawa asam piruvat dengan 3 atom C, serta NADH dan ATP. Tahap glikolisis belum membutuhkan oksigen.

Berikut ini adalah gambar bagan dari proses glikolisis:

Pada proses ini dihasilkan 4 molekul ATP dan digunakan 2 molekul ATP.

Glikolisis yang terdiri atas sepuluh reaksi, dapat disimpulkan dalam dua tahap:

1. Reaksi penambahan gugus fosfat. Pada tahap ini digunakan dua molekul ATP.
2. Gliseraldehid-3-fosfat diubah menjadi asam piruvat. Selain itu, dihasilkan 4 molekul ATP dan 2 molekul NADH.

Pada tahap glikolisis dihasilkan energi dalam bentuk ATP sebanyak 4 ATP. Namun karena 2 ATP digunakan pada awal glikolisis maka hasil akhir energi yang didapat adalah 2 ATP.

2. Siklus Krebs (Daur asam sitrat )
    Siklus Krebs dijelaskan pertama kali oleh Hans Krebs pada sekitar 1930-an. Hans Krebs melakukan penelitian tentang bagaimana sel melepaskan energi saat respirasi aerob. Ia menemukan bahwa glukosa dipecah dalam sebuah rantai reaksi yang kini dikenal dengan siklus asam sitrat atau siklus Krebs. 

    Dua molekul asam piruvat hasil dari glikolisis ditransportasikan dari sitoplasma ke dalam mitokondria, tempat terjadinya siklus Krebs. Akan tetapi, asam piruvat sendiri tidak akan memasuki reaksi siklus Krebs tersebut. Asam piruvat tersebut akan diubah menjadi asetil koenzim A (asetil koA). Tahap pengubahan asam piruvat menjadi asetil koenzim A ini terkadang disebut tahap transisi atau reaksi dekarboksilasi oksidatif.

Berikut ini gambar proses pengubahan satu asam piruvat menjadi asetil koenzim A.

Kompleks senyawa asetil koenzim A inilah yang akan memasuki siklus Krebs atau yang dikenal juga sebagai siklus asam sitrat. Koenzim A pada pembentukan asetil KoA merupakan turunan dari vitamin B.

    Dalam siklus Krebs, satu molekul asetil KoA akan menghasilkan 4 NADH, 1 GTP, dan 1 FADH. GTP (guanin trifosfat) merupakan salah satu bentuk molekul berenergi tinggi. Energi yang dihasilkan satu molekul GTP setara dengan energi yang dihasilkan satu molekul ATP. Molekul CO2 juga dihasilkan dari siklus Krebs ini. Karena satu molekul glukosa dipecah menjadi dua molekul asetil KoA dan masuk ke siklus Krebs, berapa banyak molekul berenergi yang dihasilkannya?

Selain dihasilkan energi pada siklus Krebs, juga dihasilkan hidrogen yang direaksikan dengan oksigen membentuk air. Molekul-molekul sumber elektron seperti NADH dan FADH2 dari glikolisis dan siklus Krebs, selanjutnya memasuki tahap transpor elektron untuk menghasilkan molekul berenergi siap pakai.
 

3. Sistem Transfer Elektron
    Tahap terakhir dari respirasi seluler aerob adalah sistem transfer elektron. Tahap ini terjadi pada ruang intermembran dari mitokondria. Pada tahap inilah ATP paling banyak dihasilkan. Seperti Anda ketahui, sejauh ini hanya dihasilkan 4 molekul ATP dari satu molekul glukosa, yaitu 2 molekul dari glikolisis dan 2 molekul dari sikluk Krebs. Akan tetapi, dari glikolisis dan siklus Krebs dihasilkan 10 NADH (2 dari glikolisis, 2 dari tahap transisi siklus Krebs, dan 6 dari siklus Krebs) dan 2 FADH2. Molekul-molekul inilah yang akan berperan dalam menghasilkan ATP.

    Jika kita perhatikan, meskipun glikolisis dan siklus Krebs termasuk tahap respirasi aerob, namun sejauh ini belum ada molekul oksigen yang terlibat langsung dalam reaksi. Pada tahap transfer elektron inilah oksigen terlibat secara langsung dalam reaksi.
    Pada reaksi pertama, NADH mentransfer sepasang elekron kepada molekul flavoprotein (FP). Transfer elektron mereduksi flavoprotein, sedangkan NADH teroksidasi kembali menjadi ion NAD+. Elektron bergerak dari flavoprotein menuju sedikitnya enam akseptor elektron yang berbeda. Akhirnya, elektron mencapai akseptor protein terakhir berupa sitokrom a dan a3. Perhatikan gambar berikut.

Ilustrasi transfer elektron. Sistem reaksi ini memberikan elektron dari glikolisis dan siklus Krebs pada oksigen sebagai akseptor elektron terakhir.

Seperti Anda lihat pada gambar diatas, akseptor terakhir dari rantai reaksi merupakan oksigen. Elektron berenergi tinggi dari NADH dan FADH2 memasuki sistem reaksi. Dalam perjalanannya, energi elektron tersebut mengalami penurunan energi yang digunakan untuk proses fosforilasi ADP menjadi ATP sehingga satu molekul NADH setara dengan 3 ATP dan satu molekul FADH2 setara dengan 2 ATP.

Total Energi ATP Pada Respirasi Aerob

    Berapakan total ATP yang dihasilkansatu molekul glukosa melalui respirasi aerob? Perhatikan gambar berikut.

Jadi, selama reaksi oksidasi dari 1 molekul glukosa dapat dihasilkan 38 ATP, terdiri atas 2 ATP dari glikolisis, 2 ATP dari dekarboksilasi oksidatif dan 6 ATP dari siklus Krebs (berasal dari 10 NADH2) serta 4 ATP dari siklus Krebs (berasal dari FADH2), jika dijumlahkan akan diperoleh hasil seperti berikut.

1. Energi ATP berasal dari 10 NADH2 selama 3 kali = 3 x (2+2+6) = 34
2. Energi ATP berasal dari 2 NADH2 selama 2 kali = 2 x 2 = 4