Proses energi

Poster ini menunjukan secara singkat bagaimana tahapan pembentukan energi dan beberapa aktivitas konsumsi energi yang biasa kita lakukan

Energi Sel

Pernahkah kita merasa lemas ketika kita sedang berjalan, belajar, bekerja, bahkan lemas untuk berpikir? Jika badan lemas, pastinya kita tidak akan mau melakukan aktivitas berat dan hanya ingin beristirahat atau sekedar berbaring. Semua ini terjadi karena adanya salah satu bahan penggerak utama yaitu energi.

Tak dapat dipungkiri lagi bahwa semua makhluk hidup memerlukan energi dalam kelangsungan hidupnya. Energi tersebut dapat berasal dari makanan atau sumber energi seperti matahari. Tanpa energi, tubuh kita akan terasa lemas dan sulit untuk beraktivitas. Saat kita tidur pun kita masih menggunakan energi. Di samping itu energi yang kita miliki juga digunakan dalam metabolisme sel dan regenerasi sel. Energi inilah yang digunakan seluruh makhluk hidup untuk beraktivitas semasa hidupnya. Namun bagaimana prosesnya?

Sebelum kita membicarakan prosesnya, ada baiknya kita mengetahui siapa pekerja yang turut menghasilkan energi itu sendiri. Nah, energi itu dihasilkan melalui organel-organel sel makhluk hidup dalam skala mikro. Masing-masing organel memiliki peran dan fungsi yang saling berkaitan dan berkelanjutan, jika ada satu organel yang malfungsi, maka energi tidak bisa dihasilkan. Organel-organel sel di antaranya membran sel, retikulum endoplasma, mitokondria, nukleus, badan golgi, vakuola, dan ribosom.

Nukleus merupakan organel sel yang memiliki peran yang sangat penting. Secara general, nukleus berfungsi sebagai pusat pengendali kerja masing-masing organel. Selain itu, nukleus berfungsi untuk menjaga integritas gen dengan mengelola ekspresi gen, mengorganisasi sel dalam pembelahan, memproduksi mRNA untuk mengkodekan protein, sintesis ribosom, replikasi dan transkripsi DNA, serta mengatur kapan dan di mana ekspresi gen dimulai, dijalani, dan diakhiri. Di dalam nukleus terdapat nukleoulus (anak inti), membran nukleus, dan kromosom yang mengandung DNA.

  

Retikulum endoplasma terdiri dari ruang-ruang kosong yang ditutupi membran yang berhubungan langsung dengan pori-pori nukleus (nuclear envelope). Di sekitarnya terdapat sitosol atau cairan sel. Retikulum terlihat seperti membran yang berlapis-lapis dan saling berhubungan sehingga membentuk saluran-saluran. Saluran ini dapat membantu pergerakan substansi yang melewatinya. Retikulum endoplasma berfungsi sebagai tempat sintesis molekul. Retikulum dibedakan menjadi RE kasar dan RE halus. RE kasar memiliki ribosom yang tersebar di permukaannya sedangkan RE halus tidak memiliki ribosom. RE memiliki banyak fungsi di antaranya:
1. Menjadi tempat penyimpanan Kalsium, bila sel berkontraksi maka Ca akan dikeluarkan ke sitosol.
2. Sintesis lemak dan kolesterol, ini terjadi di hati.
3. Transportasi molekul-molekul dan bagian sel yang satu ke bagian sel yang lain
4. Menetralkan racun (detoksifikasi) misalnya RE yang ada di dalam sel-sel hati.
5. Sintesis lemak dan steroid

Golgi Aparatus atau yang lebih kita kenal dengan badan golgi merupakan organel yang berfungsi dalam ekskresi. Zat yang diekskresikan berupa karbohidrat, protein, dan enzim-enzim yang dibungkus dan di angkat ke membran sel. Di samping itu, badan golgi dapat memodifikasi protein, membentuk vesikula untuk sekresi, membuat membran plasma, mensortir dan memaket sel, serta menghasilkan lisosom. Badan golgi berbentuk seperti cakram yang terdiri dari kantung-kantung yang bercabang di ujung-ujungnya. Badan golgi memiliki 2 bagian, yaitu bagian cis (menerima vesikel dari retikulum endoplasma) dan bagian trans (melepaskan vesikel dan ditransportasikan ke organel lain).

Ribosom merupakan organel penting yang berperan dalam sintesis protein sebagai zat-zat dasar penyusun tubuh makhluk hidup. Ribosom terdiri dari small subunit dan large subunit yang beroperasi secara bersama. Fungsi organel ini adalah membaca dan memproduksikan asam amino yang dipesan oleh DNA. mRNA yang dikeluarkan dari nukleus akan ditangkap oleh ribosom dan dibaca melalui proses transkripsi oleh subunit-subunit ribosom dan akan dibuat susunan asam-amino sesuai apa yang terbaca melalui proses translasi. Ribosom tak hanya tersebar di sitosol saja, tetapi juga ada yang melekat di organel retikulum endoplasma dan juga di dalam mitokondria.

Mitokondria merupakan organel penting dalam bahasan kali ini. Mitokondria sering dikatakan sebagai organel penghasil energi. Di sini terjadi terjadi respirasi sel dan termasuk proses aerobik karena membutuhkan oksigen. Jumlah mitondria setiap sel berbeda-beda tergantung tingkat kebutuhan energinya. Pada umumnya sel-sel otot punya lebih banyak mitokondria dibandingkan sel-sel yang tidak terlalu aktif. Jika kita lihat strukturnya, terdapat lekukan-lekukan yang dinamakan krista (cristae) dan di dalamnya terdapat matriks yang mengandung senzim dan senyawa lain seperti protein dan asam nukleat. Krista berfungsi untuk memperluas permukaan mitokondria agar penyerapan O2 lebih efektif, mengatur perpindahan enzim, bertanggung jawab terhadap perpindahan molekul berenergi (ATP),  dan mensuplai enzim respirasi. Di dalam matriks akan terjadi oksidasi asam lemak dan katabolisme, selanjutnya akan dibahas dalam proses sel untuk mendapatkan energi. Secara luas mitokondria akan menghasilkan paket-paket energi dalam bentuk ATP yang akan digunakan sebagai energi untuk aktivitas makhluk hidup.

Ternyata cukup banyak juga organel-organel yang berperan dalam pembentukan energi. Bayangkan jika satu organel saja tidak dapat menjalankan fungsinya dengan baik, mungkin energi akan sulit dibentuk dan tidak akan terdistribusi ke seluruh sel makhluk hidup. Tentunya jika tidak ada energi, makhluk hidup tidak dapat beraktivitas dengan normal bahkan mati karena kekurangan energi.

Kita telah mengetahui bahwa makhluk hidup mendapatkan energi dari sumber energi. Makhluk heterotrof (tidak dapat membuat makanan sendiri) mendapatkan energinya dari makanan yang dihasilkan oleh makhluk autotrof. Perlu kita sadari bahwa pembentukan energi melalui reaksi katabolisme (penguraian) senyawa memerlukan tahapan yang cukup panjang dan proses yang agak rumit. Nah untuk memahaminya, mari kita pelajari bagaimana manusia mendapatkan energinya.

Makanan yang masuk ke dalam tubuh sebelum dicerna akan melalui proses mekanik dan kimiawi (dibantu enzim) terlebih dahulu. Makanan yang variatif akan dicerna dalam bentuk atau senyawa yang lebih sederhana. Karbohidrat diubah menjadi glukosa, protein menjadi asam amino, dan lipid menjadi asam lemak dan gliserol. Nah, karena sumber utama energi manusia adalah karbohidrat, kita akan tinjau proses yang terjadi pada karbohidrat saja. Proses katabolisme dari karbohidrat melalui beberapa tahap, yaitu tahap glikolisis (terjadi di sitosol), dekarboksilasi oksidatif (terjadi di mitokondria), siklus krebs (terjadi di dalam mitokondria), dan transfer elektron (terjadi di krista mitokondria).

Mulanya glukosa sebagai substrat akan direaksikan dengan ATP (Adenocine Triphosphat) dengan bantuan enzim heksokinase dan ion Mg++. Hasil dari reaksi ini yaitu glukosa-6 fosfat dan ADP (Adenocine Dihosphat).  Lalu diubah menjadi fruktosa-6 fosfat. Dengan bantuan ATP lagi, senyawa tersebut diubah menjadi fruktosa-1,6-difosfat. Glikolisis dimulai dari perubahan fruktosa-1,6-difosfat yang memiliki 6 buah atom C diubah menjadi 3-difosfogliseral-dehida (GP) dengan 3 buah atom C dan dihidroksi-aseton-fosfat (DHAP). Pembongkaran ini dibantu oleh enzim aldolase.

DHAP dapat juga menjadi GP dengan bantuan enzim fosfitriosaisomerase. Kemudian GP bersenyawa dengan suatu asam fosfat (H3PO4) dan berubah menjadi 1,3 – difosfogliseraldehida lalu berubah menjadi asam 1,3 –difosfogliserat dengan bantuan enzim dehidrogenase. Peristiwa ini terjadi karena adaya penambahan H2. Lalu diubah lagi menjadi asam 3-fosfogliserat dengan bantuan enzim transfosforilase fosfogliserat dan ion-ion Mg++. Selanjutnya asam 3–fosfogliserat menjadi asam 2-fosfogliserat karena pengaruh enzim fosfogliseromutase. Dengan pertolongan enzim enolase dan ion – ion Mg++, maka asam 2-fosfofogliserat melepaskan H2O dan menjadi asam 2-fosfoenolpiruvat.

Perubahan terakhir dalam glikolisis adalah pelepasan satu fosfat dari asam 2-fosfoenolpiruvat menjadi asam piruvat. Enzim transfosforilase fosfopiruvat dan ion – ion Mg++ membantu proses ini sedangkan ADP meningkat menjadi ATP.
Asam piruvat hasil glikolisis akan mengalami tahap kedua, yaitu dekarboksilasi oksidatif (DO). Di sini asam piruvat akan diubah menjadi Asetil Co-A dan menghasilkan CO2 dan 2NADH2. Bentuk asetil   Co-A inilah yang akan masuk ke dalam tahap siklus krebs.

 

Asetil Co-A hasil tahapan sebelumnya lalu memasuki siklus Krebs atau dikenal juga dengan siklus asam sitrat. Pada siklus krebs ini, asetil KoA diubah menjadi KoA. Asetil KoA bergabung dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat. KoA dilepaskan sehingga memungkinkan untuk mengambil fragmen 2C lain dari asam piruvat.  Asam sitrat dibentuk sebagai awal dari siklus Krebs. Lalu asam sitrat diubah menjadi isosotrat. Dengan bantuan NAD+, isositrat diubah menjadi ketoglutarat dan menghasilkan NADH dan CO2. Masih dengan bntuan NAD+, ketoglutarat diubah menjadi suksinil Co-A dan menghasilkan CO2. Suksinil Co-A dibantu ADP dan siklus kecil GTP menjadi suksinat. Lalu diubah menjadi fumarat dengan bantuan FAD. Fumarat bereaksi dengan H2O menjadi malat, dan malat dengan bantuan NAD+ menjadi oksalosetat. Siklus terus berulang selama masih ada Asetil Co-A.

Dapat kita amati bahwa pada glikolisis, 1 molekul glukosa diubah menjadi 2 molekul asam piruvat dan menghasilkan 2 NADH dan 2 ATP (dihasilkan 4 ATP tetapi digunakan 2 ATP). Lalu pada DO, dihasilkan 2  NADH sedangkan pada siklus Krebs dihasilkan 2 ATP, 6 NADH, dan 2 FADH2. NADH dan FADH merupakan paket-paket energi, jadi perlu dirombak lagi menjadi ATP. Untuk perombakannya, paket-paket tersebut melalui tahap akhir yaitu transpor elektron.

 

Sistem Transpor Elektron (STE) merupakan tahapan terakhir dari respirasi aerob, dapat disebut juga sistem oksidasi terminal. Reaksi ini terjadi di dalam membran dalam mitokondria, hidrogen dari siklus krebs yang tergabung dalam FADH2 dan NADH perlu diubah menjadi elektron dan proton. NADH dan FADH2 akan dirombak menjadi ATP dengan bantuan molekul oksigen, koenzim Q, sitokrom a, sitokrom b, dan sitokrom c. Pertama-tama, NADH dan FADH2 mengalami oksidasi, dan elektron berenergi tinggi yang berasal dari reaksi oksidasi ini ditransfer ke koenzim Q. Dengan bantuan sitokrom, energi yang dihasilkan melepaskan elektron yang cukup besar untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Setelah menerima electron , O2 akan bereaksi dengan ion H+ membentuk H2O. Pada akhirnya 1 molekul NADH dirombak menjadi 3 ATP sedangkan 1 molekul FADH dirombak menjadi 2 ATP sehingga pada transpor elektron dihasilkan 34 ATP.

Secara keseluruhan, energi yang dihasilkan dalam satu molekul karbohidrat adalah 38 ATP.

Glikolisis                      2 NADH =    6 ATP                            2 ATP
DO                               2 NADH =    6 ATP
Siklus Krebs                6 NADH =   18 ATP                            2 ATP
                                   2 FADH2 =    4 ATP
                              -------------------------------             ------------------
                                                      34 ATP                            4 ATP

Dalam 1 gram karbohidrat yang kita konsumsi dapat menghasilkan 4,1 kalor.Jadi, energi yang kita dapatkan digunakan untuk apa saja?

Sebagai gambaran, mari kita amati tabel berikut.

Nah, jadi rata-rata pemakaian energi kita sekitar 2000kal/hari. Konsumsi harian ini bisa bervariasi karena dipengaruhi oleh jenis, jumlah,  tingkatan, dan durasi aktivitas. Gender, umur, dan berat badan pun turut berpengaruh dalam hal ini.