Makalah Fisiologi Tumbuhan - Respirasi (Glikolisis dan Reaksi Antara)

MAKALAH FISIOLOGI TUMBUHAN

RESPIRASI

(GLIKOLISIS DAN REAKSI ANTARA)

Oleh:

Kelompok 5:

            1.    Ahmad Syaifudin             (12222005)

            2.    Debi Noviyanti                  (12222020)

            3.    Dwi Ervi Agustina            (12222029)

Dosen Pembimbing:

Fitratul Aini, M.Si

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI

FAKULTAS TARBIYAH DAN KEGURUAN

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI RADEN FATAH PALEMBANG

2015

 BAB I

PENDAHULUAN

1.1    Latar Belakang

Karbohidrat glukosa merupakan karbohidrat terpenting dalam kaitannya dengan penyediaan energi di dalam tubuh. Hal ini disebabkan karena semua jenis karbohidrat baik monosakarida, disakarida maupun polisakarida yang dikonsumsi oleh manusia akan terkonversi menjadi glukosa di dalam hati. Glukosa ini kemudian akan berperan sebagai salah satu molekul utama bagi pembentukkan energi di dalam tubuh. Berdasarkan bentuknya, molekul glukosa dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu molekul D-Glukosa dan L-Glukosa. Faktor yang menjadi penentu dari bentuk glukosa ini adalah posisi gugus hidrogen (-H) dan alkohol (-OH) dalam struktur molekulnya. Glukosa yang berada dalam bentuk molekul D dan L-Glukosa dapat dimanfaatkan oleh sistem tumbuh-tumbuhan, sedangkan sistem tubuh manusia hanya dapat memanfaatkan D-Glukosa.

Di dalam tubuh manusia glukosa yang telah diserap oleh usus halus kemudian akan terdistribusi ke dalam semua sel tubuh melalui aliran darah. Di dalam tubuh, glukosa tidak hanya dapat tersimpan dalam bentuk glikogen di dalam otot dan hati namun juga dapat tersimpan pada plasma darah dalam bentuk glukosa darah (blood glucose). Di dalam tubuh selain berperan sebagai bahan bakar bagi proses metabolisme, glukosa juga akan berperan sebagai sumber energi utama bagi kerja otak. Melalui proses oksidasi yang terjadi di dalam sel-sel tubuh, glukosa kemudian akan digunakan untuk mensintesis molekul ATP (adenosine triphosphate) yang merupakan molekul-molekul dasar penghasil energi di dalam tubuh. Dalam konsumsi keseharian, glukosa akan menyediakan hampir 50-75% dari total kebutuhan energi tubuh.

Untuk dapat menghasilkan energi, proses metabolisme glukosa akan berlangsung melalui 2 mekanisme utama yaitu melalui proses anaerobik dan proses aerobik. Proses metabolisme secara aerobik dan proses metabolisme aerobik akan berlangsung di dalam sitoplasma (cytoplasm). Dalam memecah karbohidrat yang digunakan untuk menghasilkan energi yang berfungsi sebagai metabolisme tubuh maka akan kita bahas dalam makalah mengenai respirasi ini.

1.2    Rumusan Masalah

            1.    Apakah itu respirasi?

            2.    Apakah itu glikolisis?

            3.    Bagaimana tahapan proses glikolisis pada respirasi tumbuhan?

            4.    Bagaimana proses reaksi antara pada respirasi tumbuhan?

  

BAB II

PEMBAHASAN

2.1  Pengertian Respirasi

Menurut Dwidjoseputro (1980), fotosintesis itu suatu proses penyusunan (anabolisme atau asimilasi) dimana energi diperoleh dari sumber cahaya dan disimpan sebagai zat kimia, maka proses pernapasan itu suatu proses yang sebaliknya, yaitu suatu proses pembongkaran (katabolisme atau disimilasi), dimana energi yang tersimpan tadi ditimbulkan kembali untuk menyelenggarakan proses-proses kehidupan. Jika gula heksosa diambil sebagai bahan bakar, dan pembakaran itu memerlukan oksigen bebas, maka reaksi keseluruhannya dapat dituliskan sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂                         6CO₂ + 6H₂O + 675 kal.

Bahwa energi yang  terlepas itu sungguh-sungguh banyak, hal ini dapat dibuktikan dengan memanaskan (bukan membakar) gula sampai pada titik ia mulai terbakar. Panas yang timbul karenanya sangatlah hebat, dan panas itu adalah bentuk lain dari energi. Di dalam makhluk hidup terjadi pula pembakaran gula dan macam-macam zat organik lainnya, namun pembakaran atau oksidasi itu tidak membutuhkan api, melainkan berlangsung dengan pertolongan enzim-enzim dan prosesnya terjadi di dalam temperatur yang biasa. Sebagian dari energi yang timbul karenanya berupa panas dan sebagian lagi berupa energi yang dipergunakan tumbuhan untuk melangsungkan proses-proses pembentukan zat organik, aktivitas dalam peresapan (osmosis), penimbunan garam-garam, pengaliran protoplasma, pembelahan sel dan lain-lain aktivitas lagi (Dwidjoseputro, 1980).

Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil terjadi pelepasan energi sehingga terbentuk energi panas. Bila pada suatu reaksi dilepaskan energi,  reaksinya disebut reaksi eksergonik. Reaksi semacam itu disebut juga reaksi eksoterm. Pada tumbuhan tingkat rendah untuk memperoleh energi dengan melakukan fermentasi. Misal fermentasi alkohol pada Saccharomyces. Di dalam proses respirasi dihasilkan senyawa antara CO₂ yang merupakan bahan dasar proses anabolisme (Irawan, 2007).

Respirasi aerob ialah suatu proses pernapasan yang membutuhkan oksigen dari udara. Seperti telah dituliskan di atas, maka jika 1 grammol heksosa yang menjadi bahan bakar untuk dioksidasikan oleh 6 grammol oksigen, maka hasil akhir dari proses itu berupa 6 grammol CO₂ + 6 grammol H₂O + 675 kal (Dwidjoseputro, 1980).

Dalam respirasi aerob gula heksosa mengalami pembongkaran dengan proses yang sangat panjang. Pertama kali glukosa sebagai bahan dasar mengalami fosfolarisasi, yaitu proses penambahan fosfat kepada molekul-molekul glukosa hingga menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Pada fosforilasi, ATP dan ADP memegang peranan penting sebagai pengisi fosfat. Adapun pengubahan fruktosa 1,6–difosfat hingga akhirnya menjadi CO₂ dan H₂O dapat dibagi menjadi empat tahap, yaitu glikolisis, reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif), siklus Krebs, dan transfer elektron (Irawan, 2007).

2.2  Glikolisis

Glikolisis adalah kumpulan reaksi yang memulai jalur pemecahan karbohidrat pada kebanyakan jenis sel. Reaksi yang terjadi di sitoplasma ini mengubah 1 molekul glukosa menjadi 2 piruvat, kemudian membentuk hasil akhir berupa 2 ATP dan 2 NADH. Kata glikolisis berasal dari bahasa Yunani yaitu “glyk” yang artinya manis dan “lysis” (melonggarkan) atau menggambarkan pelepasan energi kimia dari glukosa (Starr, 2009).

Istilah glikolisis yang berarti pemecahan gula, diperkenalkan pada tahun 1909 untuk maksud perombakan gula menjadi etil alkohol (etanol). Tapi sebagian besar sel akan menghasilkan asam piruvat bukan etanol, jika mendapat aerasi secara normal. Gula yang lazim dirombak adalah heksosa, sehingga glikolisis berarti perombakan heksosa menjadi asam piruvat (Salisbury, 1995).

Glikolisis yang sama juga dengan pembongkaran glukosa menjadi asam piruvat. Jalur pembongkaran ini disebut jalur EMP atau jalus pusat. Hal ini terjadi di sitosol atau di matrik plastida (khusus pd tumbuhan) (Suyitno, 2006).

A.       Proses Glikolisis

Tahap awal metabolisme konversi glukosa menjadi energi di dalam tubuh akan berlangsung secara anaerobik melalui proses yang dinamakan glikolisis (glycolysis). Proses ini berlangsung dengan menggunakan bantuan 10 jenis enzim yang berfungsi sebagai katalis di dalam sitoplasma (cytoplasm) yang terdapat pada sel eukariotik (eukaryotic cells). Inti dari keseluruhan proses glikolisis adalah untuk mengkonversi glukosa menjadi produk akhir berupa piruvat. Pada proses glikolisis, 1 molekul glukosa yang memiliki 6 atom karbon pada rantainya (C₆H₁₂O₆) akan terpecah menjadi produk akhir berupa 2 molekul piruvat (pyruvate) yang memiliki 3 atom karbon (C₃H₃O₃) (Irawan, 2007).

Proses ini berjalan melalui beberapa tahapan reaksi yang disertai dengan terbentuknya beberapa senyawa antara seperti glukosa 6-fosfat dan fruktosa 6-fosfat. Selain akan menghasilkan produk akhir berupa molekul piruvat, proses glikolisis ini juga akan menghasilkan molekul ATP serta molekul NADH (1 NADH, 3 ATP). Molekul ATP yang terbentuk ini kemudian akan diekstrak oleh sel-sel tubuh sebagai komponen dasar sumber energi. Melalui proses glikolisis ini 4 buah molekul ATP & 2 buah molekul NADH (6 ATP) akan dihasilkan serta pada awal tahapan prosesnya akan mengkonsumsi 2 buah molekul ATP sehingga total 8 buah ATP akan dapat terbentuk (Irawan, 2007).

Glikolisis dimulai ketika satu molekul glukosa memasuki suatu sel melalui protein transpor membran. Sel menginvestasi dua ATP dalam reaksi endergonik yang memulai jalur ini. Pada reaksi pertama, suatu enzim mentransfer 1 gugus fosfat dari ATP ke glukosa sehingga membentuk glukosa-6-fosfat. Tidak seperti glukosa, glukosa-6-fosfat tidak melalui transporter glukosa dalam membran plasma sehingga terjebak dalam sel. Hampir semua glukosa yang masuk dalam sel, diubah menjadi glukosa-6-fosfat. Fosforilasi ini menjaga kadar glukosa dalam sitoplasma lebih rendah daripada kadar dalam cairan di luar sel. Dengan memelihara gradien konsentrasi dalam membran plasma, sel lebih memilih untuk mengambil lebih banyak glukosa (Starr, 2009).

Glikolisis yang berlanjut sebagai glukosa-6-fosfat, menerima satu gugus fosfat dari ATP lain, kemudian terpisah menjadi dua. PGAL adalah singkatan dari dua produk intermediet tiga karbon yang dihasilkan. Enzim meningkatkan satu gugus fosfat ke tiap PGAL, membentuk dua molekul PGA. Dalam reaksi ini, 2 elektron dan 1 ion hidrogen dari tiap PGAL ke NAD⁺ sehingga 2 NADH terbentuk. Koenzim yang tereduksi ini akan menyerahkan 2 elektron dan ion hidrogen dalam reaksi yang mengikuti glikolisis.  Satu gugus fosfat ditransfer dari tiap PGA ke ADP sehingga dua ATP terbentuk. Koenzim yang tereduksi ini akan menyerahkan dua elektron dan ion hidrogen dalam reaksi yang mengikuti glikolisis (Starr, 2009).

Satu gugus fosfat ditransfer dari tiap PGA ke ADP sehingga dua ATP terbentuk. Dua ATP lagi terbentuk ketika satu gugus fosfat ditransfer dari tiap produk intermediet ke 2 ADP. Kedua reaksi ini disebut fosforilasiting katsubstrat, mentransfer satu gugus fosfat secara langsung dari substrat ke ADP. Dua ATP yang  digunakan untuk memulai reaksi glikolisis. Total ATP yang dihasilkan adalah 4 ATP sehingga ATP netto yang dihasilkan sebesar 2 ATP per molekul glukosa yang memasuki glikolisis. Glikolisis berakhir dengan pembentukkan dua molekul 3-karbon-piruvat. Produk ini dapat memasuki reaksi tahap kedua dari reaksi aerobik atau fermentasi (Starr, 2009).

B.       Tahap-tahap Proses Glikolisis

Menurut Suyitno (2006), glikolisis secara harfiah berarti pemecahan glukosa atau dekomposisi. Melalui proses ini, satu molekul glukosa sepenuhnya dipecah untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat, dua molekul ATP dan dua NADH radikal membawa elektron yang dihasilkan. Butuh bertahun-tahun penelitian melelahkan dalam biokimia yang mengungkapkan langkah-langkah glikolisis yang membuat respirasi selular menjadi mungkin. Berikut adalah berbagai langkah yang disajikan dalam urutan awal terjadinya dengan glukosa sebagai bahan baku utama. Seluruh proses melibatkan sepuluh langkah dengan produk terbentuk di setiap tahap dan setiap tahap diatur oleh enzim yang berbeda.

Gambar 1: Skema Proses Glikolisis (Raven, 2005).

1.        Langkah 1: Fosforilasi glukosa

Langkah pertama adalah fosforilasi glukosa (penambahan gugus fosfat). Reaksi ini dimungkinkan oleh enzim heksokinase, yang memisahkan satu gugus fosfat dari ATP (Adenosine Triphsophate) dan menambahkannya ke glukosa, mengubahnya menjadi glukosa-6-fosfat. Dalam proses satu molekul ATP, yang merupakan sumber energi tubuh, digunakan dan akan berubah menjadi ADP (adenosin difosfat), karena pemisahan satu gugus fosfat. Seluruh reaksi dapat diringkas sebagai berikut:

Glukosa (C₆H₁₂O₆) + ATP + Hexokinase → Glukosa 6-Phosphate (C₆H₁₁O₆P₁) + ADP.

2.        Langkah 2: Produksi Fruktosa 6-Fosfat

Langkah kedua adalah produksi fruktosa 6-fosfat. Hal ini dimungkinkan oleh aksi dari enzim fosfoglukoisomerase. Kerjanya pada produk dari langkah sebelumnya, glukosa 6-fosfat dan mengubahnya menjadi fruktosa 6-fosfat yang merupakan isomernya (isomer adalah molekul yang berbeda dengan rumus molekul yang sama tetapi pengaturan yang berbeda dari atom). Seluruh reaksi diringkas sebagai berikut:

Glukosa 6-Fosfat (C₆H₁₁O₆P₁) + Fosfoglukoisomerase (Enzim) → Fruktosa  6-Fosfat (C₆H₁₁O₆P₁).

3.        Langkah 3: Produksi Fruktosa 1,6-difosfat

Pada langkah berikutnya, isomer fruktosa 6-fosfat diubah menjadi fruktosa 1,6-difosfat dengan penambahan gugus fosfat lain. Konversi ini dimungkinkan oleh enzim fosfofruktokinase yang memanfaatkan satu lagi ATP molekul dalam proses. Reaksi dapat diringkas sebagai berikut:

Fruktosa 6-fosfat (C₆H₁₁O₆P₁) + fosfofruktokinase (Enzim) + ATP → Fruktosa 1,6-difosfat (C₆H₁₀O₆P₂).

4.        Langkah 4: Memisahkan dari Fruktosa 1,6-difosfat

Pada langkah keempat, enzim aldolase melahirkan satu pemisahan fruktosa 1,6-difosfat menjadi dua molekul gula yang berbeda yang keduanya isomer satu sama lain. Kedua gula yang terbentuk adalah gliseraldehid 3-fosfat dan dihidroksi-aseton fosfat. Reaksi berjalan sebagai berikut:

Fruktosa 1,6-difosfat (C₆H₁₀O₆P₂) + Aldolase (Enzim) → gliseraldehida fosfat (C₃H₅O₃P₁) + Dihydroxyacetone fosfat (C₃H₅O₃P₁).

5.        Langkah 5: Interkonversi dari Dua Gula

Dihidroksiaseton fosfat adalah molekul berumur pendek. Begitu dibuat, itu akan dikonversi menjadi gliseraldehida fosfat oleh enzim yang disebut fosfat triose. Jadi dalam totalitas, langkah keempat dan kelima dari glikolisis menghasilkan dua molekul gliseraldehida fosfat. Dihidroksiaseton fosfat (C₃H₅O₃P₁) + triose Fosfat → gliseraldehida fosfat (C₃H₅O₃P₁).

6.        Langkah 6: Pembentukan NADH & asam 1,3-Diphoshoglyceric

Langkah keenam melibatkan dua reaksi penting. Pertama adalah pembentukan NADH dari NAD⁺ (nikotinamida adenin dinukleotida) dengan menggunakan enzim fosfat dehidrogenase triose dan kedua adalah penciptaan asam 1,3-diphoshoglyceric dari molekul fosfat dua gliseraldehida dihasilkan pada langkah sebelumnya. Kedua reaksinya adalah sebagai berikut:

Fosfat dehidrogenase triose (enzim) + 2 NAD⁺ + 2 H^- → 2NADH (reduksi nikotinamida adenin dinukleotida) + 2 H⁺ Triose fosfat dehidrogenase + 2 gliseraldehida fosfat (C₃H₅O₃P₁) + 2P (dari sitoplasma) → 2 molekul asam 1,3-difosfogliserat (C₃H₄O₄P₂).

7.        Langkah 7: Produksi ATP & Asam 3-fosfogliserat

Langkah ketujuh melibatkan penciptaan 2 molekul ATP bersama dengan dua molekul asam 3-fosfogliserat dari reaksi phosphoglycerokinase pada dua molekul produk asam 1,3-difosfogliserat, dihasilkan dari langkah sebelumnya. Dua molekul asam 1,3-difosfogliserat (C₃H₄O₄P₂) + 2ADP phosphoglycerokinase → ​​2 molekul asam 3-fosfogliserat (C₃H₅O₄P₁) + 2ATP (Adenosin trifosfat).

8.        Langkah 8: Relokasi Atom Fosfor

Langkah delapan adalah reaksi penataan ulang sangat halus yang melibatkan relokasi dari atom fosfor dalam asam 3-fosfogliserat dari karbon ketiga dalam rantai untuk karbon kedua dan menciptakan 2–asam fosfogliserat. Seluruh reaksi diringkas sebagai berikut:

2 molekul asam 3-fosfogliserat (C₃H₅O₄P₁) + phosphoglyceromutase (enzim) → 2 molekul asam 2-fosfogliserat (C₃H₅O₄P₁).

9.        Langkah 9: Penghapusan Air

Enzim enolase berperan penting dan menghilangkan sebuah molekul air dari asam 2-fosfogliserat untuk membentuk asam lain yang disebut asam fosfoenolpiruvat (PEP). Reaksi ini mengubah kedua molekul asam 2-fosfogliserat yang terbentuk pada langkah sebelumnya.

2 molekul asam 2-fosfogliserat (C₃H₅O₄P₁) + Enolase (Enzim) → 2 molekul asam fosfoenolpiruvat (PEP) (C₃H₃O₃P₁) + 2 H₂O

10.    Langkah 10: Penciptaan piruvat Asam & ATP

Langkah ini melibatkan pembentukan dua molekul ATP bersama dengan dua molekul asam piruvat dari aksi piruvat kinase enzim pada dua molekul asam fosfoenolpiruvat yang dihasilkan pada langkah sebelumnya. Hal ini dimungkinkan oleh transfer atom fosfor dari asam fosfoenolpiruvat (PEP) menjadi ADP (Adenosin trifosfat).

2 molekul asam fosfoenolpiruvat (PEP) (C₃H₃O₃P₁) + Piruvat kinase 2ADP (Enzim) → 2ATP + 2 molekul asam piruvat.

2.3  Reaksi Antara

Reaksi tahap kedua dimulai ketika dua piruvat terbentuk dengan glikolisis yang memasuki kompartemen dalam mitokondria. Suatu enzim memisahkan tiap molekul piruvat tiga-karbon menjadi satu molekul CO₂ dan satu gugus asetil dua karbon. CO₂ berdifusi keluar sel dan gugus asetil bergabung dengan koenzim A (Co-A), membentuk Asetil Co-A. Elektron dan ion hidrogen yang dilepaskan dari reaksi bergabung dengan koenzim NAD⁺, membentuk NADH (Starr, 2009).

Glikolisis menghasilkan asam piruvat. Asam piruvat ini akan dioksidasi dan menghilangkan 1 dari 3 karbon pada asam piruvat (karbon hilang dalam bentuk CO₂). Reaksi ini menghasilkan fragmen berkarbon 2 yang disebut kelompok asetil dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH. Reaksinya kompleks, melibatkan 3 tahap reaksi antara. Di akhir reaksi, kelompok asetil (fragmen berkarbon 2) bergabung dengan kofaktor koenzim A (KoA) sehingga membentuk senyawa asetil-KoA. Reaksinya sebagai berikut (Raven, 2005):

 

Gambar 2: Tahap Reaksi Antara (Raven, 2005).

Menurut Campbell (2010), saat memasuki mitokondria melalui transpor aktif, piruvat pertama-tama diubah menjadi senyawa yang disebut asetil koenzim A, atau asetil KoA. Langkah ini, persambungan antara glikolisis dan siklus asam sitrat, diselesaikan oleh suatu kompleks multi enzim yang mengkatalis tiga reaksi: 

1. Gugus karboksil (-COO^-) piruvat, yang telah dioksidasi sepenuhnya sehingga hanya memiliki sedikit energi kimia, disingkirkan dan dilepaskan sebagai CO₂ selama respirasi.
2. Fragmen berkarbon-dua yang tersisa dioksidasi, membentuk senyawa yang dinamai asetat (bentuk terionisasi dari asam asetat). Suatu enzim mentransfer elektron-elektron yang terekstraksi ke NAD⁺, menyimpan energi dalam bentuk NADH.
3. Terakhir, koenzim A (KoA), suatu senyawa pengandung sulfur yang berasal dari vitamin B, dilekatkan ke asetat oleh suatu ikatan tidak stabil yang membuat gugus asetil (asetat yang melekat) menjadi sangat reaktif. Karena sifat kimia gugus KoA, produk penyiapan kimiawi ini, asetil KoA memiliki energi potensial yang tinggi, dengan kata lain, reaksi asetil KoA untuk menghasilkan produk-produk yang berenergi lebih rendah sangatlah eksergonik. Molekul tersebut kini siap memasukkan gugus asetilnya ke dalam siklus asam sitrat untuk dioksidasi lebih lanjut.

Reaksi ini menghasilkan molekul NADH yang akan digunakan untuk menghasilkan ATP. Hal yang lebih penting dari penguraian NAD⁺ menjadi NADH adalah dihasilkannya asetil-KoA. Pengubahan asam piruvat menjadi asetil-KoA merupakan persimpangan jalan untuk menuju berbagai biosintesis yang lain. Asetil-KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus Krebs (Raven, 2005).

BAB III

PENUTUP

3.1  Kesimpulan

Glikolisis merupakan pembongkaran gula heksosa dalam respirasi aerob dengan proses yang sangat panjang. Glikolisis berlangsung dengan menggunakan bantuan 10 jenis enzim yang berfungsi sebagai katalis di dalam sitoplasma. Seluruh proses glikolisis melibatkan pemecahan satu molekul glukosa dan menghasilkan 2 molekul NADH, 2 molekul ATP, 2 molekul air dari air dan 2 molekul asam piruvat. Selanjutnya asam piruvat yang dihasilkan akan dioksidasi pada reaksi antara (oksidasi piruvat).

Reaksi antara menghasilkan fragmen berkarbon 2 yang disebut kelompok asetil dan mengubah NAD⁺ menjadi NADH. Di akhir reaksi, kelompok asetil (fragmen berkarbon 2) bergabung dengan kofaktor koenzim A (KoA) sehingga membentuk senyawa asetil-KoA. Asetil-KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus Krebs.