Pengertian Katabolisme

Pengertian Katabolisme - Katabolisme merupakan reaksi pemecahan atau penguraian senyawa kompleks (organik) menjadi sederhana (anorganik) yang menghasilkan energi. Untuk dapat digunakan oleh sel, energi yang dihasilkan harus diubah menjadi ATP  (Adenosin TriPhospat). ATP merupakan gugus adenin yang berikatan dengan tiga gugus fosfat. Pelepasan gugus fosfat menghasilkan energi yang digunakan langsung oleh sel, yang digunakan untuk melangsungkan reaksi-reaksi kimia, pertumbuhan, transportasi, gerak, reproduksi, dan lain-lain. 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

Berdasarkan kebutuhan oksigen, respirasi dibedakan menjadi 2 yaitu :

1.Respirasi Aerobik

Respirasi aerob adalah respirasi yang memerlukan oksigen bebas dari udara sebagai penerima elektron. Oksigen bebas ini digunakan untuk pembakaran bahan baku. Proses respirasi secara umum dapat kalian lihat sebagai berikut :

Senyawa organik + Oksigen  Karbondioksida + Air + Energi

Secara umum, reaksi respirasi aerobik dibedakan menjadi tiga tahapan yaitu glikolisis, dekarboksilasi oksidatif dan siklus krebs, serta rantai transportasi elektron respirasi.

A. Glikolisis

Glikolisis adalah rangkaian reaksi kimia penguraian glukosa (yang memiliki 6 atom C) menjadi asam piruvat (senyawa yang memiliki 3 atom C), NADH, dan ATP NADH (Nikotinamida Adenina Dinukleotida Hidrogen) adalah koenzim yang mengikat elektron (H), sehingga disebut sumber elektron berenergi tinggi. ATP ( Adenosin Trifosfat) merupakan senyawa berenergi tinggi. Setiap pelepasan gugus fosfatnya menghasilkan energi.

Pada proses glikolisis, setiap molekul glukosa diubah menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Glikolisis melibatkan enzim ATP dan ADP yang berperan untuk memindahkan (mentransfer) fosfat dari molekul yang satu ke molekul yang lain.

Pada sel eukariotik, glikolisis terjadi di sitoplasma (sitosol). Berikut ini adalah reaksi glikolisis secara lengkap:

TAHAP 1 - Molekul glukosa memasuki sel. Ketika melewati membran sel, glukosa mengalami fosforilasi dengan adanya penambahan ATP menjadi glukosa-6-fosfat. Glukosa yang mengikat fosfat dinamakan glukosa aktif atau glukosa reaktif. Pada tahap ini diperlukan 1 ATP.

TAHAP 2 - Glukosa-6-fosfat mengalami perubahan susunan molekul (isomerisasi) menjadi fruktosa-6-fosfat.

TAHAP 3 - Penggunaan 1 ATP menghasilkan fruktosa-1,6-difosfat.

TAHAP 4 - Fruktosa difosfat aldolase memecah fruktosa 1,6 difosfat menjadi gliseraldehid-3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat.

TAHAP 5 - Terjadi reaksi kesetimbangan antara gliseeraldehid-3-fosfat dan hidroksi aseton fosfat.

TAHAP 6 - Pada reaksi pengubahan gliseraldehid-3-fosfat menjadi 1,3-difsfogliserat, terjadi oksidasi dengan adanya transfer H kepada NAD menjadi NADH. Senyawa fosfat berasal dari senyawa anorganik H3PO4 yang kandungan energinya rendah. NADH yang terbentuk sebanyak 2 molekul.

TAHAP 7 - Terjadi transfer fosfat kepada ADP dari 1,3-difosfogliserat sehingga terbentuk ATP dan 3-fosfogliserat. ATP yang terbentuk sebanyak 2 molekul.

TAHAP 8 - Terjadi perubahan 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat.

TAHAP 9 - 2-fosfogliserat diubah menjadi fosfoenolpiruvat.

TAHAP 10 - Terjadi transfer fosfat dari fosfoenolpiruvat kepada ADP sehingga dihasilkan ATP. Pada tahap ini, fosfoenolpiruvat berubah menjadi asam piruvat. Pada tahap ini, terbentuk 2 molekul AT

Keseluruhan reaksi glikolisis, dapat dibuat persamaan reaksi sebagai berikut :

Glukosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+  2 Piruvat + 2H2O + 2ATP + 2NADH +2H+
Setiap tahap – tahap reaksi dalam metabolisme termasuk reaksi – reaksi pada glikolisis ini melibatkan enzim.

B.  Dekarboksilasi Oksidatif dan Siklus krebs
1) Dekarboksilasi Oksidatif

Senyawa hasil dari tahapan glikolisis akan masuk ke tahapan dekarboksilasi oksidatif, yaitu tahapan pembentukan CO2 melalui reaksi oksidasi reduksi (redoks) dengan O2 sebagai penerima elektronnya. Dekarboksilasi oksidatif ini terjadi di dalam mitokondria sebelum masuk ke tahapan siklus Krebs. Oleh karena itu, tahapan ini disebut sebagai tahapan sambungan (junction) antara glikolisis dengan siklus krebs.  

Pada tahapan ini, asam piruvat (3 atom C) hasil glikolisis dari silosol diubah menjadi asetil koenzim A (2 atom C) di dalam mitokondria. Pada tahap 1, molekul piruvat (3 atom C) melepaskan elektron (oksidasi) membentuk CO2 (piruvat dipecah menjadi CO2 dan molekul berkarbon 2), Pada tahap 2, NAD+ direduksi (menerima elektron) menjadi NADH + H+ . Pada tahap 3, molekul berkarbon 2 dioksidasi dan mengikat Ko-A (koenzimA) sehingga terbentuk asetil Ko-A. Hasil akhir tahapan ini adalah asetil koenzim A, CO2, dan 2NADH.

2) Siklus krebs

Asetil Ko-A tang telah terbentuk akan menjadi bahan baku pada siklus selanjutnya, yaitu siklus krebs. Oleh karena itu, Asetil Ko-A disebut senyawa intermediate atau senyawa antara. Siklus krebs terjadi di matriks mitokondria dan disebut juga siklus asam trikarboksilat. Hal ini disebabkan siklus Krebs tersebut menghasilkan senyawa yang mempunyai 3 gugus karboksil, seperti asam sitrat dan asam isositrat. 

Asetil koenzim A hasil dekarboksilasi oksidatif memasuki matriks mitokondria untuk bergabung dengan asam oksaloasetat dalam siklus krebs, membentuk asam sitrat. Demikian seterusnya, asam sitrat membentuk bermacam-macam zat dan akhirnya membentuk asam oksaloaasetat lagi.

Berikut ini tahapan-tahapan dari 1 kali siklus krebs:

1.      Asetil Ko-A (2 atom C) menambahkan atom C pada oksaloasetat (4 atom C) sehingga dihasilkan asam sitrat (6 atom C).

2.      Sitrat menjadi isositrat (6 atom C) dengam melepas H2O dan menerima  H2O kembali.

3.      Isositrat melepaskan CO2 sehingga terbentuk   - ketoglutarat (5 atom C)

 4.      - ketoglutarat melepaskan CO2.NAD+ sebagai akseptor atau penerima elektron untuk membentuk NADH dan menghasilkan suksinil Ko-A (4 atom C)

5.      Terjadi fosforilasi tingkat substrat pada pembentukan GTP (Guanosin trifosfat) dan terbentuk suksinat (4 atom C).

6.      Pembentukan fumarat (4 atom C) melalui pelepasan FADH2

7.      Fumarat terhidrolisis (mengikat 1 molekul H2O) sehingga membentuk malar (4 atom C).

8.      Pembentukan oksaloasetat (4 atom C) melalui pelepasan NADH.

C. Sistem Tranpor Elektron

Rantai transpor elektron adalah tahapan terakhir dari reaksi respirasi aerob. Transpor elektron sering disebut juga sistem rantai respirasi atau sistem oksidasi terminal. Transpor elektron berlangsung pada krista (membran dalam) dalam mitokondria. Molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan FADH2, yang dihasilkan pada reaksi glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs. Selain itu, molekul lain yang juga berperan adalah molekul oksigen, koenzim Q (Ubiquinone), sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom a.

Pertama-tama, NADH dan FADH2 mengalami oksidasi, dan elektron berenergi tinggi yang berasal dari reaksi oksidasi ini ditransfer ke koenzim Q. Energi yang dihasilkan ketika NADH dan FADH2 melepaskan elektronnya cukup besar untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Kemudian koenzim Q dioksidasi oleh sitokrom b. Selain melepaskan elektron, koenzim Q juga melepaskan 2 ion H+.

Setelah itu sitokrom b dioksidasi oleh sitokrom c. Energi yang dihasilkan dari proses oksidasi sitokrom b oleh sitokrom c juga menghasilkan cukup energi untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP.

Kemudian sitokrom c mereduksi sitokrom a, dan ini merupakan akhir dari rantai transpor elektron. Sitokrom a ini kemudian akan dioksidasi oleh sebuah atom oksigen, yang merupakan zat yang paling elektronegatif dalam rantai tersebut, dan merupakan akseptor terakhir elektron. Setelah menerima elektron dari sitokrom a, oksigen ini kemudian bergabung dengan ion H+ yang dihasilkan dari oksidasi koenzim Q oleh sitokrom b membentuk air (H2O). Oksidasi yang terakhir ini lagi-lagi menghasilkan energi yang cukup besar untuk dapat menyatukan ADP dan gugus fosfat organik menjadi ATP.

Jadi, secara keseluruhan ada tiga tempat pada transpor elektron yang menghasilkan ATP. Sejak reaksi glikolisis sampai siklus Krebs, telah dihasilkan NADH sebanyak 10 dan FADH2 2 molekul. Dalam transpor elektron ini, kesepuluh molekul NADH dan kedua molekul FADH2 tersebut mengalami oksidasi sesuai reaksi berikut.

Setiap oksidasi NADH menghasilkan kira-kira 3 ATP Dan kira-kira 2 ATP untuk setiap oksidasi FADH2. Jadi, dalam transpor elektron dihasilkan kira-kira 34 ATP. Ditambah dari hasil Glikolisis (2ATP) dan siklus Krebs (2 ATP), maka secara keseluruhan reaksi respirasi seluler menghasilkan total 38 ATP Jadi dari satu molekul glukosa menghasilkan total 38 ATP. Akan tetapi, karena dibutuhkan 2 ATP untuk melakukan transpor aktif, maka hasil bersih dari setiap respirasi seluler adalah 36 ATP. 

2. Respirasi Anaerob

Dalam reaksi oksidasi, tidak hanya terjadi penerimaan oksigen saja. Proses pelepasan elektron juga merupakan reaksi oksidasi. Oleh karena itu, oksidasi tanpa oksigen masih dapat memungkinkan terjadinya metabolisme. Berdasarkan kemampuan menggunakan oksigen dalam respirasi, organisme dibedakan menjadi 2 yaitu organisme aerobik (menggunakan oksigen ntuk respirasi) dan organisme anaerobik (mampu melakukan respirasi tanpa oksigen). 

Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal.

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.

Fermentasi ada tiga, yaitu :

1. Fermentasi Alkohol

Fermentasi alkohol merupakan suatu reaksi pengubahan glukosa menjadi etanol (etil alkohol) dan karbondioksida. Organisme yang berperan yaitu Saccharomyces cerevisiae (ragi) untuk pembuatan tape, roti atau minuman keras.

Reaksi Kimia:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP

2. Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat adalah respirasi yang terjadi pada sel hewan atau manusia, ketika kebutuhan oksigen tidak tercukupi akibat bekerja terlalu berat Di dalam sel otot asam laktat dapat menyebabkan gejala kram dan kelelahan. Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk diubah kembali menjadi piruvat.

3 Fermentasi Asam Cuka

Merupakan suatu contoh fermentasi yang berlangsung dalam keadaan aerob. fermentasi ini dilakukan oleh bakteri asam cuka (acetobacter aceti) dengan substrat etanol. Energi yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh fermentasi alkohol secara anaerob.