Perbedaan Respirasi Aerob dan Anaerob, Begini Tahapan dan Fungsinya

Liputan6.com, Jakarta - Respirasi merupakan proses penguraian senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan makhluk hidup. Berdasarkan kebutuhan oksigennya, respirasi dibedakan menjadi dua jenis yaitu respirasi aerob dan anaerob.

Respirasi aerob adalah proses penguraian senyawa organik yang membutuhkan oksigen. Proses ini terjadi di dalam mitokondria sel dan menghasilkan energi dalam jumlah besar yaitu sekitar 36-38 ATP per molekul glukosa. Reaksi umum respirasi aerob adalah:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energi (36-38 ATP)

Sementara itu, respirasi anaerob adalah proses penguraian senyawa organik tanpa melibatkan oksigen. Proses ini terjadi di sitoplasma sel dan hanya menghasilkan energi dalam jumlah kecil yaitu 2 ATP per molekul glukosa. Reaksi umum respirasi anaerob adalah:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Energi (2 ATP)

Meskipun keduanya bertujuan untuk menghasilkan energi, respirasi aerob dan anaerob memiliki beberapa perbedaan mendasar dalam hal proses, hasil, dan efisiensinya.

Respirasi aerob terdiri dari empat tahapan utama yang terjadi di dalam mitokondria sel, yaitu:

1. Glikolisis

Glikolisis merupakan tahap awal respirasi aerob yang terjadi di sitoplasma sel. Pada tahap ini, satu molekul glukosa (6 atom C) dipecah menjadi dua molekul asam piruvat (3 atom C) melalui serangkaian reaksi enzimatis. Proses glikolisis menghasilkan energi sebanyak 2 ATP dan 2 NADH. Tahapan glikolisis secara ringkas adalah sebagai berikut:

• Glukosa diubah menjadi glukosa 6-fosfat dengan bantuan enzim heksokinase
• Glukosa 6-fosfat diubah menjadi fruktosa 6-fosfat
• Fruktosa 6-fosfat diubah menjadi fruktosa 1,6-bifosfat
• Fruktosa 1,6-bifosfat dipecah menjadi dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat
• Gliseraldehida 3-fosfat dioksidasi dan difosforilasi menjadi 1,3-bifosfogliserat
• 1,3-bifosfogliserat diubah menjadi 3-fosfogliserat dengan menghasilkan 1 ATP
• 3-fosfogliserat diubah menjadi 2-fosfogliserat
• 2-fosfogliserat diubah menjadi fosfoenolpiruvat
• Fosfoenolpiruvat diubah menjadi asam piruvat dengan menghasilkan 1 ATP

2. Dekarboksilasi Oksidatif

Tahap ini merupakan tahap transisi antara glikolisis dan siklus Krebs. Pada tahap ini, asam piruvat hasil glikolisis diubah menjadi asetil-KoA dengan melepaskan CO2. Proses ini terjadi di dalam matriks mitokondria dan menghasilkan 2 NADH. Tahapan dekarboksilasi oksidatif adalah:

• Asam piruvat masuk ke dalam mitokondria
• Asam piruvat dioksidasi menjadi asetil-KoA dengan bantuan enzim piruvat dehidrogenase
• Proses ini melepaskan 1 molekul CO2 dan menghasilkan 1 NADH

3. Siklus Krebs

Siklus Krebs atau siklus asam sitrat merupakan serangkaian reaksi yang terjadi di matriks mitokondria. Pada tahap ini, asetil-KoA hasil dekarboksilasi oksidatif dioksidasi secara sempurna menjadi CO2. Siklus Krebs menghasilkan energi dalam bentuk 2 ATP, 6 NADH, dan 2 FADH2. Tahapan siklus Krebs secara ringkas adalah:

• Asetil-KoA bergabung dengan oksaloasetat membentuk asam sitrat
• Asam sitrat diubah menjadi isositrat
• Isositrat dioksidasi menjadi α-ketoglutarat dengan melepaskan CO2 dan menghasilkan NADH
• α-ketoglutarat dioksidasi menjadi suksinil-KoA dengan melepaskan CO2 dan menghasilkan NADH
• Suksinil-KoA diubah menjadi suksinat dengan menghasilkan 1 GTP (setara dengan 1 ATP)
• Suksinat dioksidasi menjadi fumarat dengan menghasilkan FADH2
• Fumarat diubah menjadi malat
• Malat dioksidasi menjadi oksaloasetat dengan menghasilkan NADH

4. Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif

Tahap ini merupakan tahap akhir respirasi aerob yang terjadi di membran dalam mitokondria. Pada tahap ini, elektron dari NADH dan FADH2 hasil tahap sebelumnya ditransfer melalui serangkaian protein pembawa elektron. Energi yang dilepaskan selama transfer elektron digunakan untuk memompa proton dari matriks ke ruang antar membran mitokondria, menciptakan gradien proton. Gradien proton ini kemudian digunakan untuk menggerakkan sintesis ATP melalui proses kemiosmosis. Tahapan transpor elektron dan fosforilasi oksidatif adalah:

• Elektron dari NADH dan FADH2 ditransfer ke kompleks protein di membran dalam mitokondria
• Energi dari transfer elektron digunakan untuk memompa proton ke ruang antar membran
• Elektron akhirnya diterima oleh oksigen membentuk air
• Gradien proton yang terbentuk menggerakkan ATP sintase untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif

Secara keseluruhan, respirasi aerob menghasilkan sekitar 36-38 ATP per molekul glukosa, jauh lebih banyak dibandingkan respirasi anaerob.

Respirasi anaerob terdiri dari dua jenis utama yaitu fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat. Kedua jenis respirasi anaerob ini hanya terdiri dari dua tahap utama:

1. Glikolisis

Tahap glikolisis pada respirasi anaerob sama persis dengan glikolisis pada respirasi aerob. Satu molekul glukosa dipecah menjadi dua molekul asam piruvat dan menghasilkan 2 ATP serta 2 NADH. Perbedaannya terletak pada tahap selanjutnya.

2. Fermentasi

Pada tahap ini, asam piruvat hasil glikolisis diubah menjadi produk akhir yang berbeda tergantung jenis fermentasinya:

Fermentasi Alkohol

Fermentasi alkohol umumnya terjadi pada ragi dan beberapa jenis bakteri. Tahapannya adalah:

• Asam piruvat diubah menjadi asetaldehida dengan melepaskan CO2
• Asetaldehida direduksi menjadi etanol dengan mengoksidasi NADH menjadi NAD+

Reaksi keseluruhan fermentasi alkohol:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP

Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat terjadi pada sel otot manusia saat kekurangan oksigen dan pada beberapa jenis bakteri. Tahapannya adalah:

• Asam piruvat langsung direduksi menjadi asam laktat dengan mengoksidasi NADH menjadi NAD+

Reaksi keseluruhan fermentasi asam laktat:

C6H12O6 → 2C3H6O3 + 2 ATP

Baik fermentasi alkohol maupun asam laktat hanya menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa, jauh lebih sedikit dibandingkan respirasi aerob.

Meskipun memiliki perbedaan dalam proses dan hasil, respirasi aerob dan anaerob memiliki fungsi penting bagi makhluk hidup:

Fungsi Respirasi Aerob

• Menghasilkan energi dalam jumlah besar (36-38 ATP) untuk berbagai aktivitas sel
• Mendukung pertumbuhan dan perkembangan organisme
• Memungkinkan organisme melakukan aktivitas yang membutuhkan energi tinggi
• Mengoksidasi senyawa organik secara sempurna menjadi CO2 dan H2O
• Berperan dalam siklus karbon dengan melepaskan CO2 ke atmosfer

Fungsi Respirasi Anaerob

• Menghasilkan energi dalam kondisi kekurangan atau tidak adanya oksigen
• Memungkinkan organisme bertahan hidup dalam lingkungan anaerobik
• Berperan dalam proses fermentasi makanan dan minuman
• Membantu sel otot menghasilkan energi cepat saat kekurangan oksigen
• Mendukung kelangsungan hidup mikroorganisme anaerobik

Berikut adalah beberapa perbedaan utama antara respirasi aerob dan anaerob:

1. Kebutuhan Oksigen

Respirasi aerob membutuhkan oksigen sebagai akseptor elektron terakhir dalam rantai transpor elektron. Sebaliknya, respirasi anaerob tidak membutuhkan oksigen dan menggunakan senyawa organik sebagai akseptor elektron terakhir.

2. Lokasi dalam Sel

Respirasi aerob sebagian besar terjadi di dalam mitokondria, khususnya pada membran dalam dan matriks mitokondria. Respirasi anaerob sepenuhnya terjadi di sitoplasma sel.

3. Hasil Energi

Respirasi aerob menghasilkan energi dalam jumlah besar, yaitu sekitar 36-38 ATP per molekul glukosa. Respirasi anaerob hanya menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa.

4. Produk Akhir

Produk akhir respirasi aerob adalah CO2 dan H2O. Respirasi anaerob menghasilkan produk akhir yang berbeda tergantung jenisnya, seperti etanol dan CO2 (fermentasi alkohol) atau asam laktat (fermentasi asam laktat).

5. Efisiensi

Respirasi aerob jauh lebih efisien dalam menghasilkan energi dibandingkan respirasi anaerob. Respirasi aerob mengoksidasi glukosa secara sempurna, sedangkan respirasi anaerob hanya mengoksidasi glukosa sebagian.

6. Kecepatan

Respirasi anaerob umumnya berlangsung lebih cepat dibandingkan respirasi aerob, meskipun menghasilkan energi lebih sedikit.

7. Organisme

Respirasi aerob umum terjadi pada sebagian besar organisme eukariotik. Respirasi anaerob umumnya terjadi pada mikroorganisme seperti bakteri dan ragi, serta pada sel otot hewan saat kekurangan oksigen.

Untuk memudahkan pemahaman, berikut adalah tabel perbandingan antara respirasi aerob dan anaerob:

Respirasi aerob dan anaerob dapat ditemui dalam berbagai aspek kehidupan sehari-hari. Berikut beberapa contohnya:

Contoh Respirasi Aerob

• Pernapasan manusia dan hewan: Proses menghirup oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida merupakan bagian dari respirasi aerob.
• Fotosintesis tumbuhan: Meskipun tumbuhan melakukan fotosintesis, mereka juga melakukan respirasi aerob untuk menghasilkan energi.
• Pembakaran bahan bakar fosil: Proses pembakaran bahan bakar seperti bensin atau batu bara merupakan bentuk respirasi aerob yang terjadi di luar tubuh makhluk hidup.
• Pengomposan: Proses penguraian bahan organik oleh mikroorganisme aerob merupakan contoh respirasi aerob.

Contoh Respirasi Anaerob

• Fermentasi makanan: Pembuatan yogurt, keju, dan roti melibatkan proses fermentasi oleh bakteri atau ragi.
• Produksi alkohol: Pembuatan bir, anggur, dan minuman beralkohol lainnya melibatkan fermentasi alkohol oleh ragi.
• Asam laktat pada otot: Ketika seseorang berolahraga intensif, otot dapat mengalami kekurangan oksigen dan beralih ke respirasi anaerob, menghasilkan asam laktat.
• Pengawetan makanan: Beberapa metode pengawetan makanan seperti pengasinan dan pengasaman memanfaatkan proses fermentasi anaerob.
• Produksi biogas: Penguraian limbah organik secara anaerob dapat menghasilkan biogas yang dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif.

Baik respirasi aerob maupun anaerob dipengaruhi oleh berbagai faktor internal dan eksternal. Beberapa faktor utama yang mempengaruhi proses respirasi antara lain:

1. Ketersediaan Oksigen

Ketersediaan oksigen merupakan faktor utama yang menentukan apakah sel akan melakukan respirasi aerob atau anaerob. Ketika oksigen tersedia cukup, sel cenderung melakukan respirasi aerob yang lebih efisien. Namun, ketika oksigen terbatas atau tidak ada, sel akan beralih ke respirasi anaerob.

2. Suhu

Suhu mempengaruhi kecepatan reaksi enzim yang terlibat dalam proses respirasi. Pada umumnya, kenaikan suhu akan meningkatkan laju respirasi hingga mencapai titik optimum. Namun, suhu yang terlalu tinggi dapat mendenaturasi enzim dan menghambat respirasi.

3. pH

Enzim yang berperan dalam respirasi memiliki pH optimum tertentu. Perubahan pH yang signifikan dapat mempengaruhi aktivitas enzim dan efisiensi respirasi.

4. Konsentrasi Substrat

Ketersediaan glukosa atau substrat lain yang akan dioksidasi mempengaruhi laju respirasi. Semakin tinggi konsentrasi substrat, semakin cepat laju respirasi hingga mencapai titik jenuh enzim.

5. Ketersediaan Nutrisi

Selain glukosa, respirasi juga membutuhkan berbagai kofaktor dan koenzim seperti NAD+, FAD, dan koenzim A. Kekurangan nutrisi ini dapat menghambat proses respirasi.

6. Hormon

Beberapa hormon seperti tiroksin dan adrenalin dapat meningkatkan laju metabolisme dan respirasi sel.

7. Umur dan Kondisi Organisme

Organisme muda dan sehat umumnya memiliki laju respirasi yang lebih tinggi dibandingkan organisme tua atau sakit.

8. Aktivitas Fisik

Pada hewan dan manusia, peningkatan aktivitas fisik akan meningkatkan kebutuhan energi dan mempercepat laju respirasi.

Gangguan pada proses respirasi seluler dapat menyebabkan berbagai masalah kesehatan. Beberapa gangguan dan penyakit yang terkait dengan respirasi antara lain:

1. Penyakit Mitokondria

Kelompok penyakit genetik yang mempengaruhi fungsi mitokondria, menyebabkan gangguan pada produksi energi sel. Gejala dapat bervariasi dan mempengaruhi berbagai sistem organ.

2. Asidosis Laktat

Kondisi di mana tubuh memproduksi terlalu banyak asam laktat atau tidak dapat memecahnya dengan cepat. Ini dapat terjadi akibat gangguan respirasi aerob atau kondisi yang menyebabkan sel beralih ke respirasi anaerob.

3. Diabetes Mellitus

Meskipun bukan gangguan respirasi secara langsung, diabetes dapat mempengaruhi metabolisme glukosa dan efisiensi respirasi sel.

4. Kanker

Beberapa jenis sel kanker menunjukkan perubahan dalam metabolisme energi, termasuk peningkatan glikolisis aerob (efek Warburg).

5. Penyakit Neurodegeneratif

Beberapa penyakit neurodegeneratif seperti Alzheimer dan Parkinson telah dikaitkan dengan gangguan fungsi mitokondria dan respirasi sel.

6. Iskemia

Kondisi di mana aliran darah ke jaringan berkurang, menyebabkan kekurangan oksigen dan nutrisi. Ini dapat menyebabkan sel beralih ke respirasi anaerob dan mengalami kerusakan jika berlangsung lama.

Respirasi aerob dan anaerob merupakan dua proses penting dalam metabolisme sel untuk menghasilkan energi. Meskipun keduanya bertujuan sama, yaitu menghasilkan ATP, terdapat perbedaan signifikan dalam hal kebutuhan oksigen, efisiensi, produk akhir, dan lokasi terjadinya dalam sel.

Respirasi aerob merupakan proses yang lebih efisien, menghasilkan energi dalam jumlah besar (36-38 ATP per molekul glukosa) melalui serangkaian tahapan kompleks di mitokondria. Proses ini membutuhkan oksigen dan menghasilkan CO2 dan H2O sebagai produk akhir.

Di sisi lain, respirasi anaerob tidak membutuhkan oksigen dan terjadi di sitoplasma. Meskipun prosesnya lebih sederhana dan cepat, respirasi anaerob hanya menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa. Produk akhirnya bervariasi tergantung jenis fermentasi, seperti etanol dan CO2 pada fermentasi alkohol, atau asam laktat pada fermentasi asam laktat.

Pemahaman tentang perbedaan dan karakteristik kedua jenis respirasi ini penting dalam berbagai bidang, mulai dari biologi sel, fisiologi, hingga aplikasi praktis dalam industri makanan dan minuman. Selain itu, gangguan pada proses respirasi seluler dapat menyebabkan berbagai masalah kesehatan, menekankan pentingnya menjaga kesehatan sel dan fungsi mitokondria.