Respirasi Aerob (Kabolisme Karbohidrat)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1    Latar Belakang Masalah

Semua organisme membutuhkan penyediaan materi dan energi yang tetap dari lingkungannya agar tetap hidup. Bagi sejumlah besar organisme, penyediaan utama materi dan satu-satunya penyediaan energi berasal dari molekul organik yang dimakannya (Kimball: 2003) sebagai contoh karbohidrat. Dengan bantuan enzim, sel secara sistematik merombak molekul organik kompleks (karbohidrat) yang kaya akan energi potensial menjadi produk limbah yang berenergi lebih rendah. Sebagian energi yang diambil dari simpanan kimiawi dapat dilakukan untuk melakukan kerja; sisanya dilepas sebagai panas. Jalur metabolisme yang melepaskan energi simpanan dengan cara memecah molekul kompleks disebut jalur katabolik (Campbell, 2003). Karbohidrat sendiri merupakan komponen utama dalam suatu makanan yang merupakan sumber energi yang utama bagi setiap organisme hidup. Dalam sel-sel tubuh, karbohidrat mengalami berbagai proses kimia. Maka proses inilah yang kemudian mempunyai peranan penting dalam tubuh kita. Proses-proses yang dialami oleh unsur-unsur makanan setelah dicerna dan diserap disebut dengan metabolisme intermediet. Metabolisme adalah semua reaksi kimia yang terjadi di dalam organisme, termasuk yang terjadi di tingkat selular.
Secara umum, metabolisme memiliki dua arah lintasan reaksi kimia organik,Katabol isme, yaitu reaksi yang mengurai molekul senyawa organik untuk mendapatkan energi
Anabolisme, yaitu reaksi yang merangkai senyawa organik dari molekul-molekul tertentu, untuk diserap oleh sel tubuh.
Kedua arah lintasan metabolisme diperlukan setiap organisme untuk dapat bertahan hidup. Arah lintasan metabolisme ditentukan oleh suatu senyawa yang disebut sebagai hormon, dan dipercepatkan oleh senyawa organik yang disebut sebagai enzim.

Oleh karena itu, penulis tertarik untuk membahas mengenai proses katabolisme dan anabolisme dalam makalah ini.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah dalam makalah ini adalah sebagai berikut:

1.      Apakah yang dimaksud dengan katabolisme karbohidrat?

2. Bagaimana proses katabolisme karbohidrat?

3.      Apakah yang dimaksud dengan anabolisme karbohidrat?

4.   Bagaimana proses anabolismee karbohidrat?

1.3 Tujuan Penulisan

Berdasarkan rumusan masalah di atas, maka makalah ini bertujuan untuk mengetahui:

1.         Pengertian katabolisme karbohidrat.

2.         Proses katabolisme karbohidrat.

3.         Pengertian anabolisme karbohidrat.

4.         Proses anabolismee karbohidrat.

1.4 Metode Penulisan

Dalam menyusun makalah ini saya menggunakan metode penelitian dengan menggunakan internet dan sumber pustaka.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Metabolisme

Metabolisme merupakan rangkaian reaksi kimia yang diawali oleh subtrat awal dan diakhiri dengan produk akhir yang terjadi didalam sel. Berbeda dengan reaksi kimia pada umumnya reaksi kimia yang terjadi didalam sel tidak bersifat bolak balik, melainkan berjalan satu arah.

Berdasarkan tujuannya metabolisme dibedakan menjadi katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang subtrat awalnya adalah molekul besar dan produk akhirnya adalah molekul kecil. Dengan kata lain katabolisme rangkaian reaksi yang bertujuan untuk pembokaran atau penguraian suatu molekul . Biasanya katabolisme bersifat eksergonik (menghasilkan energi). Katabolisme memiliki dua fungsi,yaitu menyediakan bahan baku untuk sintesis molekul lain dan menyediakan energi kimia yang dibutuhkan untuk melakukan berbagai aktivitas kehidupan baik tingkat seluler maupun tingkat individu. Sedangkan Anabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang subtrat awalnya adalah molekul kecil dan produk akhirnya adalah molekul besar. Dengan kata lain, anabolisme adalah rangkaian reaksi yang bertujuan untuk penyusunan atau sintesis  molekul. Salah satu contoh proses metabolisme adalah katabolismedan anabolisme (Campbell, 2003).               

2.2 Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme adalah pemecahan molekul karbohidrat menjadi unit-unit yang lebih kecil. Katabolisme karbohidrat meliputi proses pemecahan polisakarida menjadi monosakarida dan pemakaian glukosa (monosakarida)dalam proses respirasi untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat). ATP inilah yang digunakan oleh seluruh makhluk hidup untuk melakukan seluruh aktivitas kehidupan. Menurut (Lehninger, 2005) katabolisme merupakan fase metabolisme yang bersifat menguraikan, yang menyebabkan molekul organik nutrien seperti karbohidrat, lipid, dan protein yang datang dari lingkungan atau dari cadangan makanan sel itu sendiri terurai di dalam reaksi-reaksi bertahap menjadi produk akhir yang lebih kecil dan sederhana, seperti asam laktat, CO2, dan amonia. Katabolisme diikuti oleh pelepasan energi bebas yang telah tersimpan di dalam struktur kompleks molekul organik yang lebih besar tersebut. Pada tahap-tahap tertentu di dalam lintas katabolik, banyak dari energi bebas ini yang disimpan melalui reaksi-reaksi enzimatik yang saling berkaitan, di dalam bentuk molekul pembawa energi adenosine trifosfat (ATP). Sejumlah energi mungkin tersimpan di dalam atom hidrogen berenergi tinggi yang dibawa oleh koenzim nikotinamida adenine dinukleotida fosfat dalam bentuk tereduksinya, yaitu NAHPD. Katabolisme disebut pula desimilasi (Pratiwi, 2006: 15).

Karbohidrat akan masuk dalam reasi respirasi dalam bentuk glukosa. Oleh karena itu, karbohidrat (polisakarida) harus dibah dulu menjadi monosakarida (glukosa) dalam proses pencernaan. Serangkaian reaksi biokimia dalam sel organisme hidup disebut dengan metabolisme. Pada metabolisme juga terjadi pertukaran zat dan energi yang terjadi dalam sel Metabolisme dibedakan menjadi dua, yaitu katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah proses pemecahan molekul kompleks menjadi molekul sederhana dengan melepaskan energi. Contoh katabolisme adalah respirasi sel, yaitu proses penguraian bahan makanan yang bertujuan menghasilkan energi. Sebagai bahan baku respirasi adalah karbohidrat, asam lemak, dan asam amino dan sebagai hasilnya adalah CO₂ (karbon dioksida, air dan energi). Respirasi dilakukan oleh semua sel hidup, sel hewan maupun sel tumbuhan.   Respirasi merupakan cara sel untuk mendapatkan energi dalam bentuk ATP (adonsin trifosfat) dan energi elektron tinggi (NADH2 = Nicotinamide Adenine Dinucleotide H2 dan FADH2 = Flavin Adenin Dinucleotide H2) (Haryati, 2012)

2.3 Proses Katabolisme Karbohidrat

Respirasi di sebut juga pernapasan atau pembakaran. Respirasi merupakan peristiwa oksidasi biologis yang mengguankan oksigen sebagai akseptor electron terakhirnya. Dalam proses ini, oksigen di reduksi menjadi air. Electron dan hydrogen yang bebas mula-mula di tangkap oleh NAD menjadi NADH2, tetapi selanjutnya atom hydrogen dan electron di berikan ke oksigen melalui system transport electron sehingga di hasilkan kembali NAD dan H2O.

Tahap- tahap respirasi aerob yang di lalui oleh molekul glukosa di dalam sel. Tahap- tahap penguraian glukosa secara sempurna adalah sebagai berikur:

• Glukolisis atau pemecahan glukosa menjadi asam piruvat
• Pembentukan asetil koenzim A dari asam piruvat
• Siklus krebs atau siklus asam sitrat. Siklus ini menghasilkan atom hydrogen berenergi tinggi dan membebaskan karbon dioksida
• Transport electron, atom hydrogen di pisahkan menjadi proton dan electron yang akan di pindahkan melalui molekul pembawa electron ( rantai respirasi) menuju molekul oksigen dan tereduksi menjadi H2O. selama proses transport electron ini, banyak energy di bebaskan dan di simpan dalam bentuk ATP.

Respirasi sel berlangsung di dalam mitokondria. Sebagai hasil oksidasi mitokondria terbentuk ATP. Suatu proses katabolisme yang memecah substrat seperti karbohidrat di dalam sel disebut respirasi sel. Reaksi katabolisme karbohidrat adalah sebagai berikut.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ --> 6CO₂ + 6H₂O +  (Energi)

Respirasi sel melibatkan berbagai enzim dan terdiri atas tahapan-tahapan, yaitu reaksi glikolisis, reaksi dekarboksilasi oksidatik, siklus Krebs, dan transpor elektron.

a.       Glikolisis, yaitu penguraian molekul glukosa menjadi 2 asam piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Glikolisis terjadi di sitoplasma. Glikolisis merupakan proses pengubahan molekul sumber energi, yaitu glukosa yang mempunyai 6 atom C manjadi senyawa yang lebih sederhana, yaitu asam piruvat yang mempunyai 3 atom C.Reaksi glikolisis mempunyai sembilan tahapan reaksi yang dikatalisis oleh enzim tertentu, tetapi disini tidak akan dibahas enzim-enzim yang berperan dalam proses glikolisis ini. Dari sembilan tahapan reaksi tersebut dapat dikelompokkan menjadi dua fase, yaitu fase investasi energi, yaitu dari tahap 1 sampai tahap 4, dan fase pembelanjaan energi, yaitu dari tahap 5 sampai tahap 9.

 

• Pertama-tama, glukosa mendapat tambahan satu gugus fosfat dari satu molekul ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, membentuk glukosa 6-fosfat.
• Setelah itu, glukosa 6-fosfat diubah oleh enzim menjadi isomernya, yaitu fruktosa 6-fosfat. Satu molekul ATP yang lain memberikan satu gugus fosfatnya kepada fruktosa 6-fosfat, yang membuat ATP tersebut menjadi ADP dan fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Kemudian, fruktosa 1,6-difosfat dipecah menjadi dua senyawa yang saling isomer satu sama lain, yaitu dihidroksi aseton fosfat dan PGAL (fosfogliseraldehid atau gliseraldehid 3-fosfat).
• Tahapan-tahapan reaksi diatas itulah yang disebut dengan fase investasi energi.
• Selanjutnya, dihidroksi aseton fosfat dan PGAL masing-masing mengalami oksidasi dan mereduksi NAD+, sehingga terbentuk NADH, dan mengalami penambahan molekul fosfat anorganik (Pi) sehingga terbentuk 1,3-difosfogliserat.
• Kemudian masing-masing 1,3-difosfogliserat melepaskan satu gugus fosfatnya dan berubah menjadi 3-fosfogliserat, dimana gugus fosfat yang dilepas oleh masing-masing 1,3-difosfogliserat dipindahkan ke dua molekul ADP dan membentuk dua molekul ATP.
• Setelah itu, 3-fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi 2-fosfogliserat. Setelah menjadi 2-fosfogliserat, sebuah molekul air dari masing-masing 2-fosfogliserat dipisahkan, menghasilkan fosfoenolpiruvat.
• Terakhir, masing-masing fosfoenolpiruvat melepaskan gugus fosfat terakhirnya, yang kemudian diterima oleh dua molekul ADP untuk membentuk ATP, dan berubah menjadi asam piruvat.
• Setiap pemecahan 1 molekul glukosa pada reaksi glikolisis akan menghasilkan produk kotor berupa 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NADH, 4 molekul ATP, dan 2 molekul air.

• Akan tetapi, pada awal reaksi ini telah digunakan 2 molekul ATP, sehingga hasil bersih reaksi ini adalah 2 molekul asam piruvat (C3H4O3), 2 molekul NADH, 2 molekul ATP, dan 2 molekul air.
• Perlu dicatat, pencantuman air sebagai hasil glikolisis bersifat opsional, karena ada sumber lain yang tidak mencantumkan air sebagai hasil glikolisis.

Dari Glikolisis inilah kemudian proses dilanjutkan ke DO dan Siklus Krebs kemudian ke Sistem Transport Elektron. http://www.biologi-sel.com/2013/03/tahapan-glikolisis.html

a.       Reaksi dikarboksilasi oksidatif

 

Dekarboksilasi oksidatif adalah reaksi yang mengubah asam piruvat yang beratom 3 C menjadi senyawa baru yang beratom C dua buah, yaitu asetil koenzim-A (asetil ko-A). Reaksi dekarboksilasi oksidatif ini (disingkat DO) sering juga disebut sebagai tahap persiapan untuk masuk ke siklus Krebs. Reaksi DO ini mengambil tempat di intermembran mitokondria.
Setelah melalui reaksi glikolisis, jika terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani tahapan reaksi selanjutnya, yaitu siklus Krebs yang bertempat di matriks mitokondria. Jika tidak terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani reaksi fermentasi. Akan tetapi, asam piruvat yang mandapat molekul oksigen yang cukup dan akan meneruskan tahapan reaksi tidak dapat begitu saja masuk ke dalam siklus Krebs, karena asam piruvat memiliki atom C terlalu banyak, yaitu 3 buah. Persyaratan molekul yang dapat menjalani siklus Krebs adalah molekul tersebut harus mempunyai dua atom C (2 C). Karena itu, asam piruvat akan menjalani reaksi dekarboksilasi oksidatif.

Pertama-tama, molekul asam cuka yang dihasilkan reaksi glikolisis akan melepaskan satu gugus karboksilnya yang sudah teroksidasi sempurna dan mengandung sedikit energi, yaitu dalam bentuk molekul CO2. Setelah itu, 2 atom karbon yang tersisa dari piruvat akan dioksidasi menjadi asetat (bentuk ionisasi asam asetat). Selanjutnya, asetat akan mendapat transfer elektron dari NAD+ yang tereduksi menjadi NADH. Kemudian, koenzim A (suatu senyawa yang mengandung sulfur yang berasal dari vitamin B) diikat oleh asetat dengan ikatan yang tidak stabil dan membentuk gugus asetil yang sangat reaktif, yaitu asetil koenzim-A, yang siap memberikan asetatnya ke dalam siklus Krebs untuk proses oksidasi lebih lanjut.
Selama reaksi transisi ini, satu molekul glukosa yang telah menjadi 2 molekul asam piruvat lewat reaksi glikolisis menghasilkan 2 molekul NADH. (Hariwobo, 2010) 

Jadi, siklus kerbs merupakan reaksi tahap kedua dalam reaksi aerob yang menghasilkan 8 NADH, 2 FADH2, dan 2 ATP.

c. Siklus Krebs

Siklus krebs terjadi di mitokondria. Siklus Krebs sendiri sebenarnya dimulai ketika asetil-CoA bergabung dengan molekul empat karbon yang disebut OAA (oksaloasetat). Ini menghasilkan asam sitrat, yang memiliki enam atom karbon. Inilah sebabnya mengapa siklus Krebs disebut juga siklus asam sitrat. Setelah asam sitrat terbentuk, ia pergi melalui serangkaian reaksi yang melepaskan energi. Energi akan ditangkap oleh molekul NADH, ATP, dan FADH 2 yaitu senyawa lain pembawa energi. Karbon dioksida juga dirilis sebagai produk limbah dari reaksi ini. Langkah terakhir dari siklus Krebs meregenerasi OAA, molekul yang mengawali siklus Krebs. Molekul ini diperlukan yang pada giliran berikutnya kembali melalui siklus. Dua putaran diperlukan karena glikolisis menghasilkan dua molekul asam piruvat ketika membelah glukosa. Pada akhir Siklus Krebs, glukosa sepenuhnya pecah, namun hanya empat ATP yang dihasilkan. Selain itu, meskipun oksigen diperlukan untuk mendorong Siklus Krebs, reaksi kimia siklus ini tidak mengkonsumsi sendiri O₂. Hasil akhir siklus krebs adalah 6 NADH, 2 FADH, dan 2 ATP. Selanjutnya NADH dan FADH masuk ke sistem transpor elektron. 

d.        Transpor elektron

 

Berlangsung di membran dalam mitokondria. Molekul hidrogen yang dihasilkan pada siklus krebs yang terdapat dalam NADH dan FADH2 diubah menjadi elektron dan proton. Pada sistem ini, oksigen adalah aseptor hidrogen yang terakhir, kemudian hidrogen bereaksi dengan oksigen membentuk air. Dalam proses ini dihasilkan 34 ATP.

Respirasi Anaerob (Fermentasi)

Proses glikolisis menghasilkan asam piruvat. Asam piruvat tersebut akan masuk ke dalam siklus Krebs jika ada oksigen. Namun, jika kondisi lingkungannya kurang oksigen, asam piruvat yang terbentuk harus melintasi jalur lain, yaitu respirasi anaerob. Pada proses ini asam piruvat bertindak sebagai akseptor hydrogen dan memerlukan enzim (fermen) sehingga respirasi anaerob disebut juga fermentasi. Pada respirasi anaerob, asam piruvat direduksi menjadi asam laktat. Respirasi anaerob menghasilkan energi lebih sedikit dibandingkan reaksi aerob. Setiap molekul glukosa hanya menghasilkan 2 ATP yang dihasilkan pada tahap glikolisis.

Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat, dan hidrogen. Akan tetapi beberapa komponen lain dapat juga dihasilkan dari fermentasi seperti asam butirat dan aseton. Ragi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia selama kerja yang keras (yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal), dapat dikategorikan sebagai bentuk fermentasi yang mengasilkan asam laktat sebagai produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam menyebabkan rasa kelelahan pada otot. Reaksi dalam fermentasi berbeda-beda tergantung pada jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan. Secara singkat, glukosa (C₆H₁₂O₆) yang merupakan gula paling sederhana , melalui fermentasi akan menghasilkan etanol (2C₂H₅OH). Reaksi fermentasi ini dilakukan oleh ragi, dan digunakan pada produksi makanan.

Persamaan Reaksi Kimia

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 2 ATP (Energi yang dilepaskan:118 kJ per mol)

Dijabarkan sebagai

Gula (glukosa, fruktosa, atau sukrosa) → Alkohol (etanol) + Karbon dioksida + Energi (ATP)

Jalur biokimia yang terjadi, sebenarnya bervariasi tergantung jenis gula yang terlibat, tetapi umumnya melibatkan jalur glikolisis, yang merupakan bagian dari tahap awal respirasi aerobik pada sebagian besar organisme. Jalur terakhir akan bervariasi tergantung produk akhir yang dihasilkan.
Contoh respirasi anaerob adalah fermentasi asam laktat dan fermentasi alcohol.

A. Fermentasi Asam Laktat
Fermentasi asam laktat yaitu fermentasi dimana hasil akhirnya adalah asam laktat. Peristiwa ini dapat terjadi di otot dalam kondisi anaerob.
Reaksinya: C6H12O6 ————> 2 C2H5OCOOH + Energi
enzim
Prosesnya :
1. Glukosa ————> asam piruvat (proses Glikolisis).
enzim
C6H12O6 ————> 2 C2H3OCOOH + Energi

2. Dehidrogenasi asam piravat akan terbentuk asam laktat.
2 C2H3OCOOH + 2 NADH2 ————> 2 C2H5OCOOH + 2 NAD
piruvat dehidrogenasa
Energi yang terbentak dari glikolisis hingga terbentuk asam laktat :
8 ATP — 2 NADH2 = 8 - 2(3 ATP) = 2 ATP.

B.     Fermentasi Alkohol

Pada beberapa mikroba peristiwa pembebasan energi terlaksana karena asam piruvat diubah menjadi asam asetat + CO2 selanjutaya asam asetat diabah menjadi alkohol.
Dalam fermentasi alkohol, satu molekul glukosa hanya dapat menghasilkan 2 molekul ATP, bandingkan dengan respirasi aerob, satu molekul glukosa mampu menghasilkan 38 molekul ATP.

Reaksinya :
1. Gula (C6H12O6) ————> asam piruvat (glikolisis)
2. Dekarbeksilasi asam piruvat.

Asam piruvat —————————> asetaldehid + CO2.
piruvat dekarboksilase (CH3CHO)
3. Asetaldehid oleh alkohol dihidrogenase diubah menjadi alkohol
(etanol).2 CH3CHO + 2 NADH2————> 2 C2HsOH + 2 NAD.
alkohol dehidrogenase enzim
Ringkasan reaksi :  C6H12O6 —————> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 NADH2 + Energi

 

Perbandingan Energi antara Respirasi Aerob dan Fermentasi

Jika dibandingkan dengan energi yang diperoleh dari respirasi aerob dengan energi dengan fermentasi, resprasi aerob menghasilkan energi yang lebih besar. ATP yang dihasilkan respirasi aerob adalah 36 ATP untuk oksidasi satu molekul glukosa. Sebaliknya, dengan fermentasi hanya akan diperoleh total energi sebesar 2 ATP. Jadi energi respirasi aerob adalah 18 kali lipat lebih tinggi dibandingkan energi fermentasi. Salah satu alasan mengapa hal tersebut terjadi, karena respirasi aerob merupakan katabolisme sempurna yang menghasilkan CO2 dan H2O. Jadi, pembakaran yang disilkan optimum. Sebaliknya, hasil fermentasi adalah karbon yang masih reduktif, misalnya etanol dan asam laktat. Oleh, karena itu etanol masih menyisakan energi terikat didalamnya, yang sesungguhnya masih dapat dibakar unyuk menghasilkan energi lanjutan .