Lompat ke konten

Energi dan respirasi

Biologi A-Level · Topik 12

Pelajaran video untuk topik ini Buka halaman video
9:49

Respirasi

Pada bila-bila masa, badan anda hanya memegang kira-kira lima puluh gram ATP. Namun sepanjang satu hari tunggal, anda akan menghasilkan dan menghabiskan kira-kira berat badan anda sendiri daripadanya. Yang sama…

Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung

12.1

Mengapa Makhluk Hidup Membutuhkan Energi

Silabus
  1. uraikan kebutuhan akan energi dalam organisme hidup, sebagaimana diilustrasikan oleh transport aktif, pergerakan dan reaksi anabolik, seperti yang terjadi dalam replikasi DNA dan sintesis protein
  2. deskripsikan fitur-fitur ATP yang menjadikannya sebagai mata uang energi universal yang sesuai
  3. nyatakan bahwa ATP disintesis melalui: • transfer fosfat dalam reaksi terikat substrat • kemiosmosis pada membran mitokondria dan kloroplas
  4. jelaskan nilai energi relatif karbohidrat, lipid dan protein sebagai substrat respirasi
  5. nyatakan bahwa kuotien respirasi (RQ) adalah rasio jumlah molekul karbon dioksida yang dihasilkan terhadap jumlah molekul oksigen yang diserap, sebagai akibat dari respirasi
  6. hitung nilai RQ dari berbagai substrat respirasi dari persamaan respirasi
  7. deskripsikan dan lakukan penyelidikan, menggunakan respirometer sederhana, untuk menentukan RQ benih berkecambah atau invertebrata kecil (misalnya larva lalat pembusuk)

Sumber: Silabus Cambridge International

Sel membutuhkan pasokan energi yang stabil, yang mereka peroleh dari respirasi. Energi diperlukan untuk:

  • transportasi aktif (memindahkan zat melawan gradien),
  • gerakan (misalnya kontraksi otot),
  • reaksi anabolik — pembentukan molekul besar, seperti pada replikasi DNA dan sintesis protein.
Atlet berlari di lintasan
Selama berolahraga, otot memerlukan pasokan energi yang konstan yang dilepaskan oleh respirasi.
12.1

ATP — Mata Uang Energi

ATP adalah molekul yang membawa energi ke tempat yang dibutuhkan. ATP dibuat dari ADP dan gugus fosfat; ketika kehilangan gugus fosfat tersebut lagi, ATP melepaskan ledakan energi kecil yang dapat digunakan. ATP sangat cocok untuk tugas ini, sehingga kita menyebutnya mata uang energi universal:

  • melepaskan energi dengan cepat, dalam jumlah kecil yang sesuai dengan kebutuhan sel.
  • mudah dibuat dan dibentuk kembali, berulang kali.
  • ukurannya kecil dan larut, sehingga bergerak dengan mudah di dalam sel.
Siklus yang menunjukkan ADP ditambah fosfat berubah menjadi ATP menggunakan energi dari respirasi, dan ATP berubah kembali menjadi ADP ditambah fosfat ketika energi dilepaskan untuk sel
Respirasi menambahkan fosfat untuk membentuk ATP; sel memutusnya kembali untuk melepaskan energi.

ATP diproduksi dengan dua cara: melalui transfer langsung gugus fosfat dalam reaksi fosforilasi, dan melalui kemiosmosis melintasi membran mitokondria dan kloroplas.

Jelajahi

Siklus ATP

Langkah mengelilingi siklus. ATP dipecah untuk melepaskan ledakan energi kecil, lalu dibangun kembali oleh respirasi — berulang kali.

12.1

Substrat Respirasi dan RQ

Substrat respirasi adalah molekul yang diuraikan untuk melepaskan energi. Per gram, lipid menghasilkan energi paling banyak (karena memiliki hidrogen terbanyak), protein berada di urutan kedua, dan karbohidrat menghasilkan paling sedikit.

Diagram batang: lipid menghasilkan energi paling banyak per gram, diikuti protein, kemudian karbohidrat
Lipid melepaskan energi paling banyak per gram, kemudian protein, lalu karbohidrat

Kuotien respirasi (RQ) membandingkan gas-gas yang ditukar:

$$\text{RQ} = \frac{\text{molecules of carbon dioxide produced}}{\text{molecules of oxygen taken in}}$$

Anda dapat menghitung RQ dari persamaan respirasi. Karbohidrat memberikan RQ sekitar 1,0, lipid sekitar 0,7, dan protein sekitar 0,9.

Contoh kerja. Temukan RQ untuk respirasi aerob glukosa: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.

$$\text{RQ} = \frac{\text{CO}_2 \text{ produced}}{\text{O}_2 \text{ taken in}} = \frac{6}{6} = 1.0.$$

Itulah mengapa RQ mendekati $1.0$ mengindikasikan organisme sedang respirasi menggunakan karbohidrat; RQ yang lebih rendah (sekitar $0.7$) mengindikasikan penggunaan lipid, yang membutuhkan lebih banyak oksigen per molekul $\text{CO}_2$.

Respirometer mengukur oksigen yang diserap oleh makhluk hidup, seperti benih berkecambah atau invertebrata kecil, dan digunakan untuk menentukan RQ mereka.

Respirometer: sebuah labu berisi biji-bijian yang sedang berkecambah di atas soda lime, terhubung dengan tabung kapiler yang memiliki butiran berwarna pada skala; butiran bergerak menuju labu saat oksigen digunakan
Soda lime menyerap CO₂ yang dihasilkan, sehingga volume gas turun hanya sebesar oksigen yang terpakai—dan butiran bergerak masuk sebanyak itu
Jelajahi

Laboratorium kuotien respirasi

RQ = CO2 dihasilkan / O2 digunakan

Ubah penggunaan oksigen dan lihat bagaimana RQ membandingkan bahan bakar.

Kosa kata Latih
English Bahasa Indonesia
energy/ˈenədʒi/ tenaga
respirometer/rɪspɪˈrɒmɪtə/ respirometer
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ oksigen
germinate/ˈdʒɜːmɪneɪt/ benih bertumbuh
invertebrate/ɪnˈvɜːtɪbreɪt/ invertebrata
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ karbon dioksida
acetyl/ˈæsɪtaɪl/ asetil
coenzyme A/ˌkəʊˈenzaɪm eɪ/ koenzim A
oxaloacetate/ˈɒksələʊsɪteɪt/ oksaloasetat
citrate/ˈsɪtreɪt/ sitrat
decarboxylation/dɪˌkɑːbəksɪˈleɪʃn/ dekarboksilasi
dehydrogenation/ˌdiːhaɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ dehidrogenasi
electron/ɪˈlektrɒn/ elektron
electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/ rantai transpor elektron
12.2

Respirasi aerob: empat tahap

Silabus
  1. Nyatakan di mana keempat tahap dalam respirasi aerob terjadi pada sel eukariotik: • glikolisis di sitoplasma • reaksi penghubung di matriks mitokondria • siklus Krebs di matriks mitokondria • fosforilasi oksidatif pada membran dalam mitokondria
  2. uraikan glikolisis sebagai fosforilasi glukosa dan pemecahan fruktosa 1,6-bisfosfat (6C) berikutnya menjadi dua molekul trioza fosfat (3C), yang kemudian lebih lanjut dioksidasi menjadi piruvat (3C), dengan produksi ATP dan NAD tereduksi
  3. jelaskan bahwa, ketika oksigen tersedia, piruvat memasuki mitokondria untuk berpartisipasi dalam reaksi penghubung
  4. deskripsikan reaksi penghubung, termasuk peran koenzim A dalam transfer gugus asetil (2C)
  5. uraikan siklus Krebs, menjelaskan bahwa oksaloasetat (4C) bertindak sebagai penerima fragmen 2C dari asetil koenzim A untuk membentuk sitrat (6C), yang dikonversi kembali menjadi oksaloasetat dalam serangkaian langkah kecil
  6. jelaskan bahwa reaksi dalam siklus Krebs melibatkan dekarboksilasi dan dehidrogenasi serta reduksi koenzim NAD dan FAD
  7. deskripsikan peran NAD dan FAD dalam mentransfer hidrogen ke pembawa di membran dalam mitokondria
  8. jelaskan bahwa selama fosforilasi oksidatif: • atom hidrogen terurai menjadi proton dan elektron berenergi tinggi • elektron berenergi tinggi melepaskan energi saat melewati rantai transpor elektron (rincian pembawa tidak diharapkan) • energi yang dilepaskan digunakan untuk mentransfer proton melintasi membran mitokondria dalam • proton kembali ke matriks mitokondria melalui difusi terfasilitasi melalui ATP sintase, menyediakan energi untuk sintesis ATP (rincian ATP sintase tidak diharapkan) • oksigen bertindak sebagai penerima elektron terakhir untuk membentuk air
  9. deskripsikan hubungan antara struktur dan fungsi mitokondria menggunakan diagram dan mikrofotografi elektron
  10. uraikan respirasi pada kondisi anaerobik pada mamalia (fermentasi laktat) dan pada sel ragi (fermentasi etanol)
  11. jelaskan mengapa hasil energi dari respirasi pada kondisi aerob jauh lebih besar daripada hasil energi dari respirasi pada kondisi anaerobik (uraian rinci mengenai total hasil ATP dari respirasi aerob glukosa tidak diharapkan)
  12. jelaskan bagaimana padi beradaptasi untuk tumbuh dengan akarnya terendam air, terbatas pada perkembangan aerenkim di akar, fermentasi etanol di akar, dan pertumbuhan batang yang lebih cepat
  13. deskripsikan dan lakukan penyelidikan menggunakan indikator redoks, termasuk DCPIP dan metilen biru, untuk menentukan efek suhu dan konsentrasi substrat terhadap laju respirasi ragi
  14. deskripsikan dan lakukan penyelidikan menggunakan respirometer sederhana untuk menentukan efek suhu terhadap laju respirasi

Sumber: Silabus Cambridge International

Respirasi aerob (dengan oksigen) memiliki empat tahap, masing-masing terjadi di tempat tertentu dalam sel:

Tahap Tempat terjadinya
glikolisis sitoplasma
reaksi penghubung matriks mitokondria
Siklus Krebs matriks mitokondria
fosforilasi oksidatif membran dalam mitokondria
Diagram alur respirasi aerobik: glukosa melalui glikolisis di sitoplasma menjadi piruvat, lalu reaksi penghubung dan siklus Krebs di matriks, kemudian fosforilasi oksidatif pada membran dalam yang menghasilkan sebagian besar ATP
Empat tahap dan tempat terjadinya masing-masing; NAD tereduksi dan FAD membawa hidrogen ke membran dalam tempat sebagian besar ATP dibuat

Glikolisis

Glukosa (6 karbon) pertama-tama difosforilasi, menggunakan 2 ATP, untuk membentuk fruktosa bifosfat (6C). Molekul 6C ini pecah menjadi dua molekul triosa fosfat (masing-masing 3C). Kemudian keduanya teroksidasi menjadi piruvat (3C). Glikolisis menghasilkan keuntungan bersih 2 ATP dan beberapa NAD tereduksi (NAD adalah koenzim, molekul pembantu).

Glukosa difosforilasi menggunakan 2 ATP menjadi fruktosa bifosfat, terpecah menjadi dua fosfat triosa, kemudian teroksidasi menjadi dua piruvat, dengan keuntungan bersih 2 ATP dan NAD tereduksi
Glikolisis menghabiskan 2 ATP untuk memulai tetapi menghasilkan 4, jadi keuntungan bersihnya adalah 2 ATP (ditambah NAD tereduksi)—dan tidak memerlukan oksigen

Reaksi penghubung

Ketika oksigen tersedia, piruvat memasuki mitokondria. Di sana, setiap piruvat melepaskan karbon dioksida dan diubah menjadi gugus asetil 2-karbon. Gugus ini dibawa oleh koenzim AA untuk membentuk asetil koenzim A. Sebagian karbon dioksida dilepaskan dan NAD tereduksi.

Siklus Krebs

Gugus asetil 2C bergabung dengan molekul 4-karbon, oksaloasetat, membentuk molekul 6-karbon, sitrat. Sitrat kemudian diubah kembali menjadi oksaloasetat dalam serangkaian langkah kecil, siap menerima gugus asetil berikutnya. Selama langkah-langkah ini:

  • dekarboksilasi menghilangkan karbon sebagai karbon dioksida.
  • dehidrogenasi menghilangkan hidrogen, yang mereduksi koenzim NAD dan FAD.

NAD tereduksi dan FAD kemudian membawa hidrogen ke pembawa di membran dalam mitokondria.

Siklus Krebs digambarkan sebagai lingkaran: asetil-KoA bergabung dengan oksaloasetat membentuk sitrat, yang diubah kembali menjadi oksaloasetat, melepaskan karbon dioksida dan koenzim tereduksi
Setiap putaran melepaskan karbon dioksida (dekarboksilasi) dan NAD serta FAD tereduksi (dehidrogenasi)

Fosforilasi Oksidatif

Tahap ini menghasilkan sebagian besar ATP:

  1. atom hidrogen terpecah menjadi proton dan elektron berenergi tinggi.
  2. elektron mengalir sepanjang rantai transpor elektron, melepaskan energi saat bergerak.
  3. energi ini digunakan untuk memompa proton melintasi membran dalam.
  4. proton mengalir kembali ke matriks melalui saluran yang disebut ATP sintase ATP. Aliran ini menyediakan energi untuk membuat ATP (ini adalah kemiosmosis).
  5. oksigen adalah penerima elektron terakhir: ia bergabung dengan elektron dan proton untuk membentuk air.
Mitokondria dengan membran dalamnya melipat menjadi krista, berdampingan dengan tampilan dekat membran dalam tempat pembawa elektron memompa proton keluar dan sintase ATP menghasilkan ATP saat proton mengalir kembali
Elektron memompa proton (H⁺) ke ruang antar membran; mereka mengalir kembali melalui ATP sintase untuk membuat ATP (kemiosmosis)

Struktur Mitokondria

Membran dalam melipat menjadi krista, memberikan permukaan luas bagi rantai transpor elektron dan ATP sintase. Matriks di dalamnya menyimpan zat-zat dan pembantu untuk reaksi penghubung dan Siklus Krebs.

Mikrograf elektron dua mitokondria, masing-masing memiliki membran luar halus dan membran dalam berlipat menjadi garis-garis gelap, dengan bilah skala 50 nm
Dua mitokondria nyata, difoto dengan mikroskop elektron. Garis-garis gelap yang menyeberangi bagian dalam adalah krista—semua lipatan inilah yang membuat permukaan untuk rantai transpor elektron begitu luas
Jelajahi

Glikolisis

Ikuti langkah-langkahnya. Glukosa dipecah di sitoplasma menjadi dua piruvat, dengan keuntungan bersih ATP kecil dan NAD tereduksi.

Jelajahi

Empat tahap respirasi

Langkah melalui sumber ATP. Glukosa dipecah secara bertahap; sebagian besar ATP dibuat pada tahap terakhir.

Kosa kata Latih
English Bahasa Indonesia
respiration/ˌrespɪˈreɪʃn/ respirasi
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ transpor aktif
anabolic/ˌænəˈbɒlɪk/ anabolik
phosphorylation/ˌfɒsfɔːrɪˈleɪʃn/ fosforilasi
chemiosmosis/ˌkemɪəzˈməʊsɪs/ kemiosmosis
mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ mitokondria
respiratory substrate/rɪˈspɪrətəri ˈsʌbstreɪt/ substrat respirasi
respiratory quotient/rɪˈspɪrətəri ˈkwəʊʃənt/ kuotien respirasi
glycolysis/ɡlaɪˈkɒləsɪs/ glikolisis
cytoplasm/ˈsaɪtəplæzəm/ sitoplasma
link reaction/lɪŋk rɪˈækʃn/ reaksi penghubung
matrix/ˈmeɪtrɪks/ matriks
Krebs cycle/krebz ˈsaɪkl/ siklus Krebs
oxidative phosphorylation/ˈɒksɪdətɪv ˌfɒsfɔːrɪˈleɪʃn/ fosforilasi oksidatif
glucose/ˈɡluːkəʊs/ glukosa
oxidise/ˈɒksɪdaɪz/ oksidasi
pyruvate/ˈpaɪruːveɪt/ piruvat
reduce/rɪˈdjuːs/ kurangi
coenzyme/ˌkəʊˈenzaɪm/ koenzim
proton/ˈprəʊtɒn/ proton
ATP synthase/ˌeɪ tiː ˈpiː ˈsɪnθeɪs/ ATP sintase
cristae/ˈkrɪstiː/ kristae
fermentation/fɜːmənˈteɪʃn/ fermentasi
lactate/ˈlækteɪt/ laktat
yeast/jiːst/ ragi
ethanol/ˈeθənɒl/ etanol
12.2

Respirasi anaerob

Ketika tidak ada oksigen, hanya glikolisis yang dapat berjalan. Agar glikolisis tetap berlangsung, sel harus mengonsumsi NAD tereduksi. Hal ini terjadi melalui fermentasi:

  • pada mamalia, piruvat diubah menjadi laktat (fermentasi laktat). Laktatlater diuraikan ketika oksigen kembali.
  • pada ragi, piruvat diubah menjadi etanol dan karbon dioksida (fermentasi etanol).
Tanpa oksigen, glikolisis menghasilkan piruvat, yang kemudian menjadi laktat pada mamalia atau etanol dan karbon dioksida pada ragi
Tanpa oksigen, piruvat berubah menjadi laktat (mamalia) atau etanol (ragi); proses ini meregenerasi NAD untuk glikolisis

Respirasi anaerobik menghasilkan energi jauh lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik. Respirasi aerobik juga menjalankan siklus Krebs dan fosforilasi oksidatif, yang melepaskan lebih banyak ATP, sementara respirasi anaerobik hanya mendapatkan jumlah kecil dari glikolisis.

Jelajahi

Mengapa fermentasi penting

Ikuti langkah-langkahnya. Tanpa oksigen, fermentasi meregenerasi NAD agar glikolisis dapat terus memproduksi sedikit ATP.

Kosa kata Latih
English Bahasa Indonesia
aerobic/eəˈrəʊbɪk/ aerobik
anaerobic/ˌæneəˈrəʊbɪk/ anaerobik
12.2

Padi dan akar tergenang

Padi dapat tumbuh dengan akarnya di bawah air, di mana kadar oksigennya sangat rendah. Tumbuhan ini beradaptasi dalam tiga cara: mengembangkan aerenkim (ruang berisi udara) di akar untuk mengalirkan udara ke bawah; akar menggunakan fermentasi etanol agar tetap memproduksi sedikit ATP; dan batang tumbuh lebih cepat untuk mencapai udara di atas permukaan air.

Potongan melintang akar rawa di bawah mikroskop: inti gelap di tengah yang dikelilingi oleh sel-sel bulat dengan celah udara putih besar di antaranya
Akar tumbuhan yang hidup di air, tampak pada potongan melintang. Celah putih besar tersebut adalah aerenkim — saluran udara terhubung yang memungkinkan difusi oksigen hingga ke akar yang berada di lumpur miskin oksigen
Kosa kata Latih
English Bahasa Indonesia
aerenchyma/ˈeərəntʃɪmə/ aerenkim
indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ indikator
12.2

Menyelidiki laju respirasi

Indikator redoks seperti DCPIP atau metilen biru kehilangan warnanya ketika menerima hidrogen dari sel-sel yang bernapas. Semakin cepat warna hilang, semakin cepat ragi bernapas, sehingga Anda dapat menguji pengaruh suhu atau konsentrasi substrat. Respirometer juga dapat digunakan untuk mengukur bagaimana perubahan suhu memengaruhi laju penyerapan oksigen.

12.2

Tips ujian

  • Sebutkan di mana setiap tahap terjadi dan hasil ATP-nya: glikolisis (sitoplasma), reaksi penghubung + Siklus Krebs (matriks), fosforilasi oksidatif (membran dalam, menghasilkan paling banyak ATP).
  • Jelaskan peran NAD/FAD (membawa hidrogen ke rantai transpor elektron) dan oksigen (penerima elektron terakhir).
  • RQ $=$ CO2 diproduksi $\div$ O2 digunakan ($\approx 1.0$ karbohidrat, $0.7$ lipid); pahami bagaimana respirometer mengukurnya.
  • Respirasi anaerob menghasilkan laktat (hewan) atau etanol + CO2 (ragi/tumbuhan) dan jauh lebih sedikit ATP (hanya glikolisis).

Pelajaran interaktif untuk topik ini

Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.

Soal-Soil Masa Lalu

Topik lain dalam Biologi A-Level

Masuk atau buat akun

IGCSE, A-Level & AP