Respirasi Aerob: Mekanisme Respirasi Aerob Dijelaskan!



Baca artikel ini untuk mempelajari tentang mekanisme respirasi aerobik!

Respirasi dimulai dengan glukosa (biasanya). Dalam respirasi aerobik dan anaerobik, reaksi awal umum terjadi sebagai akibat asam piruvat yang dibentuk oleh pemecahan glukosa.

Proses tersebut disebut Glikolisis atau EMP Pathway (Embden-Meyerhof-Parnas Pathway). Proses ini tidak memerlukan O 2 meskipun hal ini dapat terjadi dengan adanya oksigen. Setelah tahap ini, nasib asam piruvat berbeda tergantung ada tidaknya oksigen.

Jika oksigen hadir ada oksidasi lengkap asam piruvat menjadi H 2 O dan CO 2 dan reaksi kimia yang terjadi disebut siklus Asam Tri-Karboksilat (Siklus TCA) atau Siklus Krebs. Siklus ini terjadi di mitokondria. Jika oksigen tidak ada, asam piruvat membentuk etil alkohol (C 2 H 5 OH) dan CO 2 tanpa bantuan organel sel apa pun. Proses ini disebut respirasi anaerobik.

Pernapasan aerobik:

Respirasi aerobik adalah pelepasan energi yang dikontrol secara enzimatik dalam proses katabolik bertahap dari oksidasi lengkap makanan organik menjadi karbon dioksida dan air dengan oksigen bertindak sebagai oksidan terminal. Mekanisme umum respirasi aerobik juga disebut jalur umum karena langkah pertamanya, yang disebut glikolisis, umum untuk mode respirasi aerobik dan anaerobik. Respirasi aerobik yang umum terdiri dari tiga langkah—glikolisis, siklus Krebs, dan oksidasi terminal.

Glikolisis:

Disebut juga jalur EMP karena ditemukan oleh tiga ilmuwan Jerman Embden, Meyerhof dan Parnas. Glikolisis adalah proses pemecahan glukosa atau gula heksosa serupa menjadi molekul asam piruvat melalui serangkaian reaksi yang dimediasi enzim yang melepaskan sejumlah energi (sebagai ATP) dan mengurangi daya (sebagai NADH 2 ). Itu terjadi di sitoplasma. Itu terjadi dalam sub langkah berikut.

1. Fosforilasi:

Glukosa difosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat oleh ATP dengan adanya enzim heksokinase (Meyerhof, 1927) atau glukokinase (misalnya hati) dan Mg 2+ .

2. Isomerisasi:

Glukosa-6-fosfat diubah menjadi isomer fruktosa-6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoheksosa isomerase.

Fruktosa-6-fosfat juga dapat diproduksi langsung oleh fosforilasi fruktosa dengan bantuan enzim fruktokinase.

3. Fosforilasi:

Fruktosa-6-fosfat selanjutnya difosforilasi melalui ATP dengan ­adanya enzim fosfofrukto-kinase dan Mg 2+ . Produknya adalah Fruktosa-1, 6 difosfat.

4. Pemisahan:

Fruktosa-1, 6-difosfat membelah secara enzimatik untuk membentuk satu molekul masing-masing senyawa 3-karbon, gliseraldehida 3-fosfat (= GAP atau 3-fosfogliseraldehida = PGAL) dan dihidroksi aseton 3-fosfat (DIHAP). Yang terakhir selanjutnya diubah menjadi gliseraldehida 3- ­fosfat oleh enzim triosa fosfat isomerase (= isomerase fosfotriosa).

5. Dehidrogenasi dan Fosforilasi:

Dengan adanya enzim gliseraldehida ­fosfat dehidrogenase, gliseraldehida 3-fosfat kehilangan hidrogen menjadi NAD untuk membentuk NADH 2 dan menerima fosfat anorganik untuk membentuk asam 1, 3-difosfogliserat.

6. Pembentukan ATP:

Salah satu dari dua fosfat asam difosfoglieerie dihubungkan oleh ikatan energi tinggi. Ini dapat mensintesis ATP dan membentuk asam 3-fosfogliserat. Enzim tersebut adalah fosfogliseril inase. Sintesis langsung ATP dari metabolit disebut fosforilasi tingkat substrat.

7. Isomerisasi:

Asam 3-fosfogliserat diubah menjadi asam isomer 2-fosfogliseratnya oleh enzim fosfogliseromutase.

8. Dehidrasi:

Melalui agen enzim enolase, asam 2-fosfogliserat diubah menjadi fosfoenol piruvat (PEP). Sebuah molekul air dihilangkan dalam prosesnya. Mg2 + diperlukan.

9. Pembentukan ATP:

Selama pembentukan piruvat fosfoenol, radikal fosfat mengambil energi. Ini membantu dalam produksi ATP dengan fosforilasi tingkat substrat. Enzim tersebut adalah piruvat kinase. Ini menghasilkan piruvat dari fosfoenol piruvat.

Produk Bersih Glikolisis:

Dalam glikolisis dua molekul ATP dikonsumsi selama fosforilasi ganda glukosa untuk membentuk fruktosa-1,6 difosfat. Sebagai imbalannya, empat molekul ATP diproduksi oleh fosforilasi tingkat substrat (konversi 1,3 asam difosfogliserat menjadi asam fosfogliserat 3- ­fos dan piruvat fosfenol menjadi piruvat). Dua molekul NADH 2 terbentuk pada saat oksidasi gliseraldehida 3-fosfat menjadi 1, 3-asam difosfogliserat. Reaksi bersihnya adalah sebagai berikut:

Glukosa+2NAD + +2ADP+2H 3 PO 4 +2H 3 PO 4 -> 2 Piruvat+2NADH+2H + +2ATP

Siklus Krebs:

Siklus ditemukan oleh Hans Krebs (1937, 1940, Hadiah Nobel 1953). Itu terjadi di dalam mito ­chondria. Siklus ini juga disebut sebagai siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat (TCA) setelah produk awal. Siklus Krebs adalah degradasi oksidatif dan siklik bertahap asetat teraktivasi yang berasal dari piruvat.

Oksidasi Piruvat menjadi Asetil-KoA:

Piruvat memasuki mitokondria. Ini didekarboksilasi secara oksidatif untuk menghasilkan CO 2 dan NADH. Produk bergabung dengan belerang yang mengandung koenzim A untuk membentuk asetil KoA atau asetat aktif. Reaksi terjadi dengan adanya kompleks enzim piruvat dehidrogenase (terdiri dari dekarboksilase, asam lipoat, TPP, transasetilase dan Mg 2+ ).

Acetyl CoA berfungsi sebagai substrat peserta untuk siklus Krebs. Molekul akseptor siklus Krebs adalah senyawa 4-karbon oksaloasetat. Siklus Curbs melibatkan dua dekarboksilasi dan empat dehidrogenasi. Berbagai komponen siklus Krebs adalah sebagai berikut.

  1. Kondensasi:

Acetyl CoA (senyawa 2-karbon) bergabung dengan oksalo-asetat (senyawa 4-karbon ­) dengan adanya enzim kondensasi sitrat sintetase untuk membentuk senyawa trikarboksilat 6-karbon yang disebut asam sitrat. Ini adalah produk pertama dari siklus Krebs. CoA dibebaskan.

  1. Dehidrasi:

Sitrat mengalami reorganisasi dengan adanya aconitase membentuk cis aconitate melepaskan air.

  1. Hidrasi:

Cis-aconitate diubah menjadi isocitrate dengan penambahan air dengan adanya enzim aconitase yang mengandung besi.

  1. Dehidrogenasi:

Isocitrate didehidrogenasi menjadi oksalosuksinat dengan adanya enzim isocitrate dehydrogenases dan Mn 2+ . NADH 2 (NADPH 2 ) menurut beberapa pekerja) diproduksi.

  1. Dekarboksilasi:

Oksalosuksinat mengalami dekarboksilasi menjadi a-ketoglutarat melalui ­enzim dekarboksilase. Karbon dioksida dilepaskan.

  1. Dehidrogenasi dan Dekarboksilasi:

α-Ketoglutarat didehidrogenasi (dengan bantuan NAD + ) dan didekarboksilasi oleh kompleks enzim a-ketoglutarat dehidrogenase. Kompleks ­enzim mengandung TPP dan asam lipoat. Produk bergabung dengan CoA untuk membentuk suksinil CoA.

  1. Pembentukan ATP/GTP:

Suksinil CoA ditindaklanjuti oleh enzim suksinil thiokinase untuk membentuk suksinat. Reaksi melepaskan energi yang cukup untuk membentuk ATP (pada tanaman) atau GTP (pada hewan).

  1. Dehidrogenasi:

Suksinat mengalami dehidrogenasi untuk membentuk fumarat dengan bantuan dehidrogenase. FADH 2 (flavin adenin dinukleotida tereduksi) diproduksi.

Suksinat + FAD Suksinat, → Dehidrogenase, Fumarat + FADH 2

  1. Hidrasi:

Molekul air ditambahkan ke fumarat untuk membentuk malat. Enzim tersebut disebut fumarase.

  1. Dehidrogenasi:

Malat didehidrogenasi atau dioksidasi melalui agen malat ­dehy drogenase untuk menghasilkan oksaloasetat. Hidrogen diterima oleh NADP + NAD +

Oxaloacetate mengambil molekul asetat aktif lainnya untuk mengulang siklus.

Sebuah molekul glukosa menghasilkan dua molekul NADH 2 , 2ATP dan dua piruvat saat mengalami ­glikolisis. Dua molekul piruvat terdegradasi sempurna dalam siklus Krebs untuk membentuk dua molekul ATP, 8NADH 2 , dan 2FADH 2 .

Glukosa + 4ADP + 4H 3 PO 4 +10NAD + + 2FAD -> 6CO 2 + 4ATP + 10NADH + 10H + +2FADH 2

Oksidasi Terminal:

Ini adalah nama oksidasi yang ditemukan dalam respirasi aerobik yang terjadi menjelang akhir proses katabolik dan melibatkan pelepasan elektron dan proton dari koenzim tereduksi ke oksigen.

Oksidasi terminal terdiri dari dua proses – transpor elektron dan fosforilasi oksidatif.

Rantai Transpor Elektron:

Membran mitokondria bagian dalam mengandung kelompok enzim pengangkut elektron dan proton. Pada setiap kelompok enzim disusun dalam rangkaian tertentu yang disebut rantai transpor elektron (electron transport chain/ETC) atau rantai pernapasan mitokondria atau sistem transpor elektron (ETS).

Rantai atau sistem transpor elektron adalah serangkaian koenzim dan sitokrom yang mengambil bagian dalam perjalanan elektron dari bahan kimia ke akseptor utamanya. Lintasan elektron dari satu enzim atau sitokrom ke enzim berikutnya merupakan perjalanan menurun dengan kehilangan energi di setiap langkahnya. Pada setiap langkah, pembawa elektron meliputi flavin, kompleks belerang besi, kuinon, dan sitokrom.

Kebanyakan dari mereka adalah kelompok protein prostetik. Kuinon adalah pembawa elektron yang sangat mobile. Empat enzim terlibat dalam transpor elektron—(i) NADH-Q reduktase atau NADH-dehidrogenase (ii) Kompleks Q-reduktase suksinat (iii) Kompleks QH 2 -sitokrom c reduktase (iv) Kompleks sitokrom c oksidase. NADH-Q reduktase (atau NADH-dehydrogenase) memiliki dua gugus prostetik, kompleks flavin mononukleotida (FMN) dan besi belerang (Fe-S). Elektron dan proton lewat dari NADH 2 ke FMN. Yang terakhir berkurang.

NADH + H + + FMN——> FMNH 2 + NAD +

Elektron sekarang bergerak ke kompleks FeS dan dari sana ke kuinon. Kuinon yang umum adalah ko-enzim Q, juga disebut ubikuinon (UQ).

FMNH 2 + 2Fe 3+ S——>FMN + 2Fe 2+ S + 2H +

2Fe 2+ S + Q + 2H + ——>2Fe 3+ S + QH 2

FADH 2 yang dihasilkan selama reduksi suksinat juga menyerahkan elektron dan protonnya ke ­koenzim Q melalui kompleks FeS. Enzimnya adalah kompleks suksinat-Q reduktase.

FADH 2 + 2Fe 3+ S——> 2Fe 2+ S + 2H + + FAD

2Fe 2+ S + Q + 2H + ——> 2Fe 3+ S + QH 2

QH 2 -sitokrom c reduktase memiliki tiga komponen—sitokrom b, kompleks FeS dan sitokrom c 1 . Koenzim Q juga dapat terlibat antara kompleks FeS dan sitokrom c 1 .

QH 2 + 2Fe 3 + cyt.b ——> Q + 2H + + 2Fe 2 +cyt.b

2Fe 2 + cyt.b + 2Fe 3+ S ——> 2Fe 3 + cyt.b + 2Fe 2 + S

2Fe 2 + S + Q + 2H + ——> 2Fe 3 + S + QH 2 (?)

QH 2 + 2Fe 3 + cyt.c 1 ——> Q + 2H + + 2Fe 2+ cyt.c 1

Sitokrom c 1 menyerahkan elektronnya kepada sitokrom c. Seperti ko-enzim Q, sitokrom c juga merupakan pembawa elektron yang bergerak.

2Fe 2 + cyt.c 1 + 2Fe 3+ cyt.c ——> 2Fe 3 cyt.c 1 + 2Fe 2+ cyt.c

Kompleks sitokrom c oksidase terdiri dari sitokrom a dan sitokrom a 3 . Sitokrom a 3 juga memiliki tembaga. Yang terakhir membantu dalam transfer elektron ke oksigen.

2Fe 2 + cyt.c + 2Fe 3+ cyt.a ——> 2Fe 3 + cyt.c + 2Fe 2+ Cyt.a

2Fe 2 + cyt.a + 2Fe 3+ cyt.a 3 Cu 2+ ——> 2Fe 3+ cyt.a + 2Fe 2+ cyt.a 3 Cu 2+

2Fe 2 cyt.a 3 Cu 2+ ——> 2Fe 3 cyt.c 3 Cu 1+

2Fe 3 cyt.a 3 Cu 1+ + [O] ——> 2Fe 3+ cyt.a 3 Cu 2+ + [O]

Oksigen adalah akseptor utama elektron. Ini menjadi reaktif dan bergabung dengan proton untuk membentuk air metabolik.

2H + + O”——– > 2H 2 O

Energi yang dilepaskan selama perjalanan elektron dari satu pembawa ke pembawa berikutnya tersedia untuk kompleks transmembran tertentu, yang memompa proton ((H + ) dari sisi matriks membran mitokondria bagian dalam ke ruang luar. Ada tiga tempat yang berhubungan dengan tiga enzim hadir dalam rantai transpor elektron (NADH-Q reduktase, QH 2 -cytcxhrome c reduktase dan sitokrom c-oksidase).

Ini meningkatkan konsentrasi proton di ruang luar atau permukaan luar membran mitokondria bagian dalam. Perbedaan konsentrasi proton pada sisi luar dan dalam membran mitokondria bagian dalam dikenal sebagai gradien proton.

Fosforilasi oksidatif:

Fosforilasi oksidatif adalah sintesis ­molekul ATP yang kaya energi dengan bantuan energi yang dibebaskan selama oksidasi ko-enzim tereduksi (NADH 2 , FADH 2 ) yang dihasilkan dalam respirasi. Enzim yang diperlukan untuk sintesis ini disebut ATP sintetase.

Itu terletak di F 1 atau bagian kepala F 0 -F 1 atau partikel elementer yang ada di membran mitokondria bagian dalam. ATP-sintetase menjadi aktif dalam pembentukan ATP hanya jika terdapat gradien proton yang memiliki konsentrasi H + atau proton yang lebih tinggi pada sisi F 0 dibandingkan dengan sisi F 1 (hipotesis kemiosmotik dari Peter Mitchel, 1961).

di ­ruang luar atau permukaan luar membran mitokondria bagian dalam dengan mendorong proton dengan bantuan energi yang dibebaskan, dengan melewatkan elektron dari satu pembawa ke pembawa lainnya.

Pengangkutan elektron dari nadh 2 melalui ETC membantu mendorong tiga pasang proton ke ruang luar sementara dua pasang proton dikirim ke luar selama aliran elektron dari fadh 2 (karena fadh 2 menyumbangkan elektronnya lebih jauh ke ETC).

Konsentrasi proton yang lebih tinggi di ruang luar menyebabkan proton masuk ke dalam matriks atau ruang dalam melalui membran dalam. Yang terakhir ini memiliki saluran proton khusus di wilayah F Q (basis) dari partikel F 0 – F 1 .

Aliran proton melalui saluran F 0 menginduksi partikel F, berfungsi sebagai ATP-sintetase. Energi gradien proton digunakan untuk mengikatkan radikula fosfat ke ADP melalui ikatan energi tinggi. Ini menghasilkan ATP. Oksidasi satu molekul NADH 2 menghasilkan 3 molekul ATP sedangkan oksidasi FADH 2 yang serupa membentuk 2 molekul ATP.

2 molekul ATP diproduksi selama glikolisis dan 2 molekul ATP (GTP) selama siklus Krebs ganda. Glikolisis juga membentuk 2NADH 2 . Kekuatan pereduksinya ditransfer ke mitokondria untuk sintesis ATP. Untuk ini, sistem antar-jemput beroperasi di ­membran mitochondrion bagian dalam. (i) NADH 2 —> NAD -> NADH 2 . (ii) NADH 2 -> FAD -> FADH 2 .

sel hati, jantung dan ginjal. ­Tidak ada energi yang dihabiskan. Metode kedua terjadi pada sel otot dan saraf. Ini menurunkan tingkat energi 2NADH2 oleh molekul 2ATP. Sebanyak 10 molekul NADH 2 dan 2FADH 2 terbentuk dalam respirasi aerobik.

Mereka membantu dalam pembentukan 34 molekul ATP. Keuntungan bersih dari oksidasi lengkap molekul glukosa dalam sel otot dan saraf adalah 36 molekul ATP (10 NADH 2 = 30 ATP, 2 FADH 2 = 4 ATP, empat dibentuk oleh fosforilasi tingkat substrat dalam glikolisis dan siklus Krebs dan dua ­dikonsumsi dalam pengangkutan molekul NADH 2 ke dalam mitokondria).

Pada prokariota, jantung, hati, dan ginjal, 38 molekul ATP diproduksi per molekul glukosa yang dioksidasi. Bagian molekul ATP dari dalam mitokondria ke sitoplasma adalah melalui difusi yang difasilitasi.

Karena, satu molekul ATP menyimpan 8,9 kkal/mol (7 kkal/mol menurut perkiraan awal), total energi yang terperangkap per gm mol glukosa adalah 338,2 kkal (266 kkal) atau efisiensi 49,3% (38,8% menurut perkiraan sebelumnya) . Sisa energi hilang sebagai panas.

Signifikansi Siklus Krebs:

  1. Selain berfungsi sebagai sistem penghasil energi, siklus Krebs menghasilkan beberapa zat yang berperan sebagai titik awal sejumlah reaksi biosintetik. Biasanya siklus Krebs respirasi dianggap katabolik di alam, tetapi menyediakan sejumlah perantara untuk jalur anabolik. Oleh karena itu siklus Krebs bersifat amfibolik (baik katabolik maupun anabolik). Beberapa contoh dikutip di bawah ini:

(a) Sintesis sukrosa melalui siklus asam glioksilitik adalah contohnya. Siklus Krebs yang sedikit dimodifikasi mengarah pada pembentukan glioksilat, malat, oksaloasetat, fosfoenol piruvat dan kemudian dengan jalur glikolitik terbalik, sukrosa terbentuk.

(b) Ada dua asam keto dalam siklus Krebs dan pada aminasi mereka menghasilkan masing-masing asam amino- Asam piruvat —> alanin; Asam oksaloasetat —> asam aspartat; dan asam oc-ketoglutarat —> asam glutamat.

Yang terakhir ini membuka jalur baru menuju sintesis glutamin, ornithine, prolin, hidroksiprolin, citruiline dan arginin.

(c) Suksinil-KoA adalah titik awal untuk biosintesis beberapa porfirin.

  1. Siklus Krebs adalah jalur umum pemecahan oksidatif karbohidrat, asam lemak, dan asam amino.

Related Posts