Metabolisme & respirasi sel
Bagaimana sel mengubah makanan menjadi energi yang bisa dipakai?
Jenjang yang disarankan: SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Mobil butuh bensin, dan tubuh kita butuh makanan sebagai bahan bakar. Tetapi tubuh tidak membakar makanan dengan api. Di dalam setiap sel, makanan diolah pelan-pelan dengan bantuan oksigen dari udara yang kita hirup. Hasilnya adalah tenaga untuk bergerak, berpikir, tumbuh, dan menjaga tubuh tetap hangat.
Saat makanan diolah, terbentuk juga karbon dioksida dan air. Karbon dioksida dibuang lewat napas. Karena itulah kita perlu makan dan bernapas.
Ada makhluk hidup yang bisa mendapat tenaga tanpa oksigen. Ragi pada tapai dan roti mengolah gula menjadi gas dan sedikit alkohol. Gas itulah yang membuat adonan roti mengembang.
Poin kunci
- Makanan adalah bahan bakar tubuh.
- Sel mengolah makanan dengan oksigen untuk menghasilkan tenaga.
- Karbon dioksida sisa pengolahan dibuang lewat napas.
- Ragi bisa menghasilkan tenaga tanpa oksigen.
Aktivitas
Dengan pengawasan guru, tiup pelan-pelan melalui sedotan ke dalam gelas berisi air kapur jernih (jangan diisap). Apa yang terjadi pada warnanya? Apa artinya tentang udara yang kita embuskan?
Penjelasan untuk SMP
Metabolisme adalah seluruh reaksi kimia di dalam sel. Ada dua jenis:
- Anabolisme: menyusun molekul kompleks dari molekul sederhana dan memerlukan energi, misalnya fotosintesis dan pembentukan protein.
- Katabolisme: memecah molekul kompleks menjadi sederhana dan melepaskan energi, misalnya respirasi sel.
Energi di dalam sel disimpan sementara dalam molekul ATP (adenosin trifosfat), sering disebut “mata uang energi” sel. ATP dipakai untuk kontraksi otot, pengangkutan zat melewati membran, pembentukan molekul baru, dan pengiriman impuls saraf.
Respirasi aerob memakai oksigen dan sebagian besar berlangsung di mitokondria:
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energi (ATP)
Persamaan ini kebalikan dari persamaan fotosintesis. Tumbuhan pun berespirasi siang dan malam.
Respirasi anaerob (fermentasi) tidak memakai oksigen dan menghasilkan jauh lebih sedikit energi:
- Fermentasi alkohol oleh ragi: glukosa → alkohol + CO₂. Dipakai dalam pembuatan tapai dan roti.
- Fermentasi asam laktat: terjadi di sel otot saat olahraga berat ketika oksigen kurang, dan dilakukan bakteri pembuat yoghurt.
Karbon dioksida hasil respirasi dapat dibuktikan dengan air kapur: air kapur jernih menjadi keruh bila dialiri CO₂.
Poin kunci
- Metabolisme = anabolisme (menyusun) + katabolisme (memecah).
- ATP adalah mata uang energi sel.
- Respirasi aerob di mitokondria: glukosa + oksigen → CO₂ + air + ATP.
- Fermentasi tanpa oksigen menghasilkan lebih sedikit energi.
Aktivitas
Isi tiga botol dengan air gula dan satu sendok ragi. Letakkan di air dingin, air hangat, dan air panas, lalu pasang balon di mulut setiap botol. Bandingkan besar balon setelah 30 menit dan jelaskan hasilnya.
Penjelasan untuk SMA
Respirasi aerob berlangsung dalam empat tahap:
- Glikolisis (sitoplasma): satu glukosa dipecah menjadi dua piruvat, menghasilkan 2 ATP bersih dan 2 NADH. Tahap ini tidak memerlukan oksigen.
- Dekarboksilasi oksidatif (matriks mitokondria): piruvat diubah menjadi asetil-KoA sambil melepaskan CO₂ dan membentuk NADH.
- Siklus Krebs (matriks mitokondria): asetil-KoA dioksidasi sempurna. Untuk satu glukosa (dua putaran) dihasilkan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂, dan 4 CO₂.
- Transpor elektron dan fosforilasi oksidatif (membran dalam mitokondria): elektron dari NADH dan FADH₂ mengalir melalui rantai protein, dan energinya dipakai memompa H⁺ ke ruang antarmembran. Aliran H⁺ kembali melalui ATP sintase menghasilkan sebagian besar ATP (kemiosmosis). Oksigen adalah penerima elektron terakhir dan bergabung dengan H⁺ membentuk air.
Buku lama menyebut hasil 36–38 ATP per glukosa. Perhitungan modern memperkirakan sekitar 30–32 ATP, karena jumlah H⁺ per ATP dan biaya mengangkut molekul melintasi membran mitokondria ternyata lebih besar.
Tanpa oksigen, rantai transpor elektron berhenti dan NAD⁺ habis. Fermentasi meregenerasi NAD⁺ agar glikolisis tetap berjalan: pada fermentasi alkohol, piruvat diubah menjadi etanol dan CO₂; pada fermentasi asam laktat, piruvat direduksi menjadi laktat.
Jalur metabolisme saling terhubung. Lemak dipecah menjadi gliserol dan asam lemak; asam lemak dipotong menjadi asetil-KoA (oksidasi beta). Asam amino dilepas gugus aminonya (deaminasi) lalu masuk ke jalur respirasi. Kelebihan asetil-KoA dapat dipakai menyusun lemak.
Selain fotosintesis, sebagian bakteri dan arkea membuat zat organik dengan energi dari reaksi kimia anorganik (kemosintesis), misalnya bakteri nitrifikasi di tanah dan mikroba di sekitar ventilasi hidrotermal laut dalam.
Poin kunci
- Glikolisis → dekarboksilasi oksidatif → siklus Krebs → transpor elektron.
- Sebagian besar ATP dibuat ATP sintase melalui kemiosmosis; O₂ adalah penerima elektron terakhir.
- Hasil modern sekitar 30–32 ATP per glukosa.
- Fermentasi meregenerasi NAD⁺ agar glikolisis berlanjut.
Aktivitas
Buat respirometer sederhana dari tabung berisi kecambah kacang hijau, kapas, soda kapur (penyerap CO₂), dan pipa kapiler bertetes pewarna. Ukur pergeseran tetes setiap 2 menit, bandingkan dengan tabung berisi kecambah yang sudah direbus, lalu jelaskan hasilnya.
Penjelasan untuk kuliah
Teori kemiosmotik (Peter Mitchell) menjelaskan bahwa rantai transpor elektron membangun gaya gerak proton, yaitu gabungan beda konsentrasi H⁺ dan beda potensial listrik melintasi membran dalam mitokondria. ATP sintase bekerja sebagai motor putar: aliran proton memutar bagian F₀ dan mengubah bentuk bagian F₁ yang menyintesis ATP. Dengan rasio P/O sekitar 2,5 untuk NADH dan 1,5 untuk FADH₂, hasil per glukosa sekitar 30–32 ATP, bergantung pada sistem pengangkut NADH sitoplasma yang dipakai.
Penghambat dan pemisah (uncoupler): sianida dan karbon monoksida menghambat sitokrom c oksidase (kompleks IV), sehingga respirasi aerob berhenti. Pemisah seperti protein termogenin (UCP1) di jaringan lemak coklat membiarkan proton kembali tanpa melalui ATP sintase, sehingga energinya dilepas sebagai panas. Mekanisme ini penting untuk termoregulasi pada bayi dan mamalia yang berhibernasi.
Regulasi: fosfofruktokinase-1 adalah titik kendali utama glikolisis; enzim ini dihambat secara alosterik oleh ATP dan sitrat serta diaktifkan AMP. Karena itu laju glikolisis menyesuaikan kebutuhan energi sel. Efek Pasteur, yaitu turunnya konsumsi glukosa saat oksigen tersedia, adalah akibat pengaturan ini.
Keragaman metabolisme prokariota jauh lebih luas daripada eukariota. Banyak bakteri melakukan respirasi anaerob dengan nitrat atau sulfat sebagai penerima elektron terakhir; arkea metanogen seperti Methanobrevibacter smithii di usus manusia menghasilkan metana; kemolitotrof memperoleh energi dari amonia, belerang, atau besi. Jalur-jalur ini menggerakkan daur nitrogen, belerang, dan karbon global.
Laju metabolisme dan ukuran tubuh: laju metabolisme basal mamalia meningkat kurang dari sebanding dengan massa tubuh (secara empiris mendekati massa pangkat tiga perempat, hukum Kleiber), sehingga hewan kecil memiliki metabolisme per gram yang jauh lebih tinggi. Nilai eksponen dan penjelasannya masih diperdebatkan.
Kaitan medis: banyak sel kanker mengandalkan glikolisis meskipun oksigen tersedia (efek Warburg), dan cacat pada DNA mitokondria menyebabkan penyakit mitokondria yang diturunkan dari ibu.
Poin kunci
- Gaya gerak proton menggerakkan motor putar ATP sintase.
- Sianida menghambat kompleks IV; UCP1 mengubah gradien proton menjadi panas.
- PFK-1 adalah titik kendali utama glikolisis.
- Prokariota memiliki respirasi anaerob, metanogenesis, dan kemolitotrofi.
Aktivitas
Hitung hasil ATP per glukosa dengan rasio P/O 2,5 (NADH) dan 1,5 (FADH₂), memakai sistem pengangkut malat–aspartat dan gliserol-fosfat. Bandingkan dengan angka lama 36–38 dan jelaskan sumber perbedaannya.