Berapa Sih Jumlah Total Energi dari Respirasi Seluler?

Pekan lalu, seorang teman bertanya dengan kening yang sedikit dikerutkan.

"Oh iya Kak Cit, kita kan sama-sama bidang biologi. Saya mau bertanya, boleh?"

"Oh ya, boleh." Sebenarnya ingin menolak, tapi yah sudahlah, di iyakan saja. Hehe

"Ini yang sering jadi pertanyaanku, sebenarnya berapa total ATP yang dihasilkan respirasi seluler? 36 atau 38?" 

Pertanyaan serupa, sudah seringkali saya terima dari beberapa orang, termasuk dari Akbar yang beberapa hari lalu bertanya di akhir diskusi soal materi respirasi selular.

Jika teman-teman pembaca juga punya pertanyaan yang sama perkara total ATP, yuk kepoin di tulisan ini. 

***

Sebelum menjawab pertanyaan "Berapa sih sebenarnya jumlah total ATP pada respirasi seluler?", kita tentu harus paham beberapa hal berikut : 

1. Apa itu respirasi seluler?

2. Apa saja tahapan-tahapan pada respirasi seluler?

3. Berapa total ATP yang dihasilkan pada setiap tahapan respirasi seluler?

Apa itu respirasi seluler?

Respirasi seluler adalah serangkaian proses kimiawi yang berperan dalam pemecahan molekul glukosa untuk menghasilkan ATP melalui serangkaian reaksi yang berlangsng di dalam mitokondria. 

Apa saja tahapan-tahapan pada respirasi seluler?

Respirasi seluler berlangsung melalui 4 tahapan utama, yaitu:

1. Glikolisis, memecah molekul glukosa, dan menghasilkan molekul Asam Piruvat, ATP, dan NADH
2. Dekarboksilasi Oksidatif, mengubah asam piruvat menjadi Asetyl Coa
3. Siklus Krebs, mengoksidasi Asetyl Coa untuk menghasilkan molekul NADH, FADH, dan ATP
4. Rantai Transport Elektron, memanfaatkan energi dari NADH dan FADH untuk menciptakan gradien H+ yang berperan dalam produksi ATP

Respirasi seluler pada dasarnya merupakan proses untuk mengubah energi kimiawi yang tersimpan dalam molekul glukosa menjadi energi kimiawi yang dapat digunakan untuk menggerakkan kerja seluler, dalam hal ini adalah ATP. 

Mungkin ada yang bertanya, "Loh, kenapa harus diubah-ubah lagi? Kan, sama-sama energi kimiawi?" Hal ini karena kerja seluler itu membutuhkan sejumlah energi yang spesifik untuk dapat bekerja. Analog dengan penjual roti yang hanya mau menerima uang Rp 10.000 jika ada yang ingin membeli rotinya. Jika ingin membeli tiba buah roti, maka harus menggunakan tiga lembar uang sepuluh ribuan. Bagaimana jika menggunakan uang seratus ribuan? Tidak bisa. Roti tidak akan dijual. Seperti itu pula prinsip penggunaan energi untuk menggerakkan kerja sel, misalnya gerak flagel. Sel tidak dapat menggunakan energi dari NADH dan FADH, meskipun kedua molekul tersebut mengandung sejumlah energi yang sangat besar. Sel hanya dapat menggunakan energi yang dilepaskan dari hidrolisis ATP menjadi ADP. 

Mengapa molekul ATP dapat menggerakkan sel? Karena, hampir semua kerja sel bergantung pada transfer energi yang dihasilkan dari hidrolisis ATP. Tiga gugus fosfat pada ekor molekul ATP memiliki ikatan berenergi tinggi, sehingga bersifat reaktif. Jika gugus fosfat terminal (gugus fosfat terluar) diputus, maka akan dilepaskan energi sebesar 7.3 kkal/mol (dalam kondisi laboratorium). Sejumlah energi itulah yang dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan kerja seluler. (Baca lebih jauh: Konsep ATP sebagai sumber energi).

Mekanisme produksi ATP melalui respirasi seluler pada dasarnya terdiri atas 2 jenis, yaitu:

1. Fosforilasi tingkat substrat, yakni ATP yang langsung dihasilkan sebagai output pada tahap glikolisis, dekarboksilasi oksediatif, dan siklus krebs

2. Fosfolirasi oksidatif, yakni ATP yang diproduksi dengan memanfaatkan reaksi redoks yang mentransfer elektron dari NADH dan FADH ke oksigen (ATP diproduksi melalui rantai transport elektron dan mekanisme kemiosmotik). 

Dari keempat tahapan respirasi seluler, jelas bahwa tiga tahapan pertama pada dasarnya merupakan tahap yang menghasilkan ATP, NADH, dan FADH. ATP yang merupakan hasil dari fosforilasi tingkat substrat tersebut, adalah hasil akhir yang kita butuhkan. 

Sementara itu, NADH dan FADH masih harus diproses melalui tahapan keempat (rantai transport elektron) agar energi kimiawi yang terkandung di dalamnya dapat dimanfaatkan untuk membentuk molekul ATP.

Nah, sekarang waktunya untuk menghitung dengan lebih teliti jumlah molekul yang dihasilkan pada setiap tahapan respirasi seluler (untuk setiap 1 mol glukosa yang memasuki glikolisis).

Dari Tabel di atas, H2O dan CO2 yang dihasilkan pada setiap tahapan diberi warna merah. Ya, itu untuk menjelaskan adanya uap air dan karbondioksida saat kita menghembuskan nafas. Uap air (H2O) dari proses respirasi seluler sudah sering kita amati saat menghembuskan nafas di cermin atau di kaca, ya kan? Tapi, soal jumlah H2O dan CO2 ini tidak  termasuk dalam perhitungan total ATP. Untuk perhitungan total ATP, kita hanya akan fokus pada:
1. Berapa ATP, NADPH, dan FADH yang dihasilkan pada setiap tahapan?
2. Dimana ketiga molekul tersebut dihasilkan?

Untuk menjawab pertanyaan pertama, dapat dilihat bahwa untuk setiap 1 molekul glukosa yang memasuki proses glikolisis  di sitoplasma dihasilkan 2 ATP, 2 NADH, dan 2 molekul Asam Piruvat.

Molekul Asam piruvat yang masih mengandung sebagian besar energi (dari glukosa) selanjutnya diproses melalui dekarboksilasi oksidatif di matrix mitokondria, dan dihasilkan 2 NADH dan 2 Asetyl CoA.

Kedua molekul Asetyl CoA selanjutnya memasuki siklus krebs (terjadi dua kali siklus), sehingga diperoleh 2 ATP, 6 NADH, dan 2 FADH2. 

Selanjutnya, NADH dan FADH dapat dikonversi menjadi ATP. Untuk perhitungannya, perhatikan tabel berikut.

Pada tabel, setiap NADH dikalikan dengan 3 ATP sedangkan FADH2 dikalikan dengan 2 ATP. Nah, perbedaan faktor pengali inilah yang membuat beberapa buku berbeda dalam menuliskan jumlah total perhitungan ATP. Ada yang tahu alasannya? 

Oke, jadi, ceritanya seperti ini...

Sejumlah energi yang dimiliki NADH dan FADH dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan lebih banyak ATP dengan memanfaatkan rantai transport elektron dan mekanisme kemiosmosis pada membran dalam mitokondria. 

Rantai transport elektron ini adalah sebuah kata benda (kalau dalam bahasa inggris, disebut noun kan?).  Mengapa kata benda? Karena yang disebut rantai transport elektron adalah kumpulan molekul yang tertanam dalam membran dalam mitokondria (sebagian besar merupakan protein) yang berperan dalam menerima dan melepaskan elektron. Karenanya, susunan molekul ini disebut rantai tranposrt elektron. 

Lalu, apa hubungan antara mekanisme transport elektron dengan produksi ATP? 
Tentu saja keduanya berhubungan, karena setiap kali elektron dari NADH dan FADH2 yang melewati rantai transport elektron, akan menyebabkan sejumlah H+ ditransport dari matriks mitokondria menuju ke ruang antar-membran. Rantai transport elektron, memanfaatkan aliran elektron eksergonik (eksergonik = melepaskan sejumlah energi) untuk memompa H+ dari matriks ke ruang antar membran.  Hal ini pada akhirnya berkontribusi pada tingginya konsentrasi H+ pada ruang antar-membran dibanding konsentrasi H+ pada matriks mitokondria. 


Perbedaan konsentrasi H+ antara ruang antar-membran (yang lebih tinggi) dan matriks mitokondria (yang lebih rendah) kemudian dapat menggerakkan kemiosmosis, yakni suatu proses pergerakan H+ menuruni gradien konsentrasi melalui ATP Synthase. 

ATP synthase merupakan protein pada membran dalam mitokondria dan merupakan satu-satunya titik yang permeabel bagi H+. Dengan kata lain, ATP synthase ini adalah satu-satunya pintu bagi H+ untuk mengalir ke matriks mitokondria. 

ATP synthase selanjutnya memanfaatkan energi dari aliran eksergonik H+ untuk menggerakkan fosforilasi ADP sehingga dihasilkan ATP (P + ADP = ATP).


Well, pertanyaannya selanjutnya, jika NADH dan FADH2 sama-sama dapat berkontribusi terhadap perbedaan konsentrasi H+, mengapa jumlah ATP yang dihasilkan bisa berbeda? Jawabannya bisa dilihat dari gambar ini.

Gambar di atas menunjukkan molekul rantai transport elektron pada membran dalam mitokondria, yang terdiri atas 4 kompleks molekul (Kompleks I, II, III, dan IV) dan juga ATP synthase. Elektron dari NADH ditransfer ke kompleks I, yang selama perjalanannya hingga ke kompleks IV telah berkontribusi pada tiga kali pompa proton (pompa proton terjadi setiap kali elektron melawati kompleks I, III, dan IV). 

Sementara itu, elektron dari FADH2 memasuki rantai trasport elektron melalui kompleks II yang tidak berkontribusi pada terjadinya pompa proton. Karenanya, selama perjalanannya hingga ke kompleks IV, elektron dari FADH2 hanya berkontribusi pada dua kali pompa proton (di komplek III dan IV). 

Jika disederhanakan, misalnya, ada satu H+ yang dipompa di setiap kompleks, dan setiap satu H+ yang melewati ATP synthase berkontribusi untuk pembentukan 1 ATP, maka setiap NADH berkontribusi untuk pembentukan 3 ATP dan FADH berkontribusi untuk 2 ATP. 

Sekali lagi, perhitungan ini adalah penyederhanaan untuk membantu memahami keterkaitan antara rantai transport elektron dan proses kemiosmosis yang menghasilkan ATP. Hasil perhitungan ATP rata-rata per NADH yang dilakukan para ahli, diperkirakan berkisar antara dua dan tiga. Namun, sebagian besar penjelasan dilakukan dengan membulatkan jumlahnya menjadi 3 ATP per NADH untuk memudahkan perhitungan. 

Nah, sekarang, jika total NADH dikalikan 3 ATP, dan total FADH dikalikan 2 ATP, lalu dijumlahkan dengan ATP dari fosforilasi tingkat substrat, dapat diperoleh maksimum 38 ATP. 

Jumlah itu perlu digaris bawahi, di bold, bahkan diberi warna merah, karena merupakan "perkiraan" jumlah maksimum jika satu molekul glukosa dioksidasi menjadi 6 molekul karbondioksida.  Ada dua alasan untuk hal ini. 

Alasan pertama, seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, jumlah total 3 ATP dari NADH dan 2 ATP dari FADH2 adalah suatu pembulatan. Karenanya, jumlah total hasil konversi ke ATP juga merupakan angka pembulatan / perkiraan. Pembulatan ini menyebabkan perhitungan lebih tinggi sekitar 10% dari perolehan ATP sebenarnya. 

Alasan kedua, kita juga perlu mempertimbangkan dimana molekul NADH dihasilkan selama proses resporasi seluler. Karena,  mesin konversi (rantai transport elektron dan ATP Synthase) berada di membran dalam mitokondria, sedangkan glikolisis (yang menghasilkan 2 ATP, 2 NADH, 2 Asam Pyruvat) berlangsung di sitoplasma. 

NADH dari glikolisis yang terpisah dari mesin konversi memungkinkan total perolehan ATP tidak maksimum. Hal ini karena membran dalam mitokondria tidak permeable terhadap NADH. Elektron dari NADH (di sitosol) juga dapat ditransfer ke rantai transfer elektron, namun sebelumnya harus melewati sistem pembolak-balik elektron. 

Melalui sistem pembolak-balik elektron ini, elektron dari NADH (di sitosol) dapat diterima oleh NAD+   atau FAD di matriks mitokondria. Jadi, tergantung dari molekul mana yang menerima elektron dari NADH tersebut. Jika diterima oleh NAD+, maka elektron dapat memasuki rantai transport elektron melalui komplek I, dan berkontribusi untuk produksi kira-kira 3 ATP. Namun, jika diterima oleh FAD, maka eletkron dapat memasuki rantai transport elektron melalui kompleks II dan berkontribusi untuk produksi kira-kira 2 ATP. 

Selain karena kedua alasan di atas, masih ada variabel lain yang menyebabkan total produksi ATP tidak maksimal, yaitu penggunaan energi dari hasil kemiosmosis untuk mentransfer Asam Piruvat hasil glikolisis dari sitoplasma ke dalam mitokondria.  Ya, tentu saja perlu energi untuk mentransport molekul sebesar asam pyruvat melewati membran mitokondria, kan?

Nah, sekarang sudah jelas ya, ada setidaknya tiga hal yang bisa menyebabkan produksi total ATP dari oksidasi satu molekul glukosa kurang dari 38 ATP.

Pertama, karena konversi 1 NADH = 3 ATP dan 1 FADH = 2 ATP adalah suatu pembulatan yang sebenarnya meningkatkan perhitungan akhir sebesar 10%.

Kedua, karena adanya NADH yang diproduksi di sitosol (melalui glikolisis), sehingga kontribusinya terhadap produksi ATP bergantung pada mekanisme pembolak-balik eletron, apakah diterima oleh NADH atau FADH2 di matriks mitokondria

Ketiga, karena transport asam pyruvat dari sitosol ke dalam mitokondria juga membutuhkan energi dari ATP.

***

Demikian sedikit penjelasan tentang respirasi seluler dan total ATP yang dihasilkan.

Jika ada pertanyaan, ada ada hal yang kurang jelas, mohon tinggalkan pertanyaan di kolom komentar.

Selamat belajar, ya!

Tetap semangat!





Sumber:
1. Reece, J. B., & Campbell, N. A. (2011). Campbell biology. Boston: Benjamin Cummings / Pearson
2. Solomom, E.P., Berg, L.R., Martin, D.W. 2008. Biology. USA: Thomson Brooks