Respirasi anaerob adalah proses di mana sel-sel yang tidak menghirup oksigen membebaskan energi dari bahan bakar untuk menjalankan fungsi kehidupan mereka. Molekul oksigen adalah akseptor elektron yang paling efisien untuk respirasi, karena afinitas tinggi nukleatnya untuk elektron. Namun, beberapa organisme telah berevolusi untuk menggunakan oksidator lain, dan dengan demikian, ini melakukan respirasi tanpa oksigen.

Organisme ini juga menggunakan rantai transpor elektron untuk menghasilkan ATP sebanyak mungkin dari bahan bakar mereka, tetapi rantai transpor elektron mereka mengekstraksi energi yang lebih sedikit daripada respirasi aerob karena akseptor elektron mereka lebih lemah. Banyak bakteri dan archaea hanya dapat melakukan respirasi anaerob. Banyak organisme lain dapat melakukan respirasi aerob atau anaerob, tergantung pada apakah oksigen ada atau tidak.

Manusia dan hewan lain mengandalkan respirasi aerob untuk tetap hidup, tetapi dapat memperpanjang kehidupan sel atau kinerja mereka tanpa adanya oksigen dengan menggunakan bentuk respirasi anaerob.

Fungsi

Respirasi merupakan proses di mana energi yang tersimpan dalam bahan bakar diubah menjadi bentuk yang dapat digunakan sel. Biasanya, energi yang tersimpan dalam ikatan molekul molekul gula atau lemak digunakan untuk membuat ATP, dengan mengambil elektron dari molekul bahan bakar dan menggunakannya untuk menggerakkan rantai transpor elektron.

Respirasi sangat penting untuk kelangsungan hidup sel karena jika tidak dapat membebaskan energi dari bahan bakar untuk mendorong fungsi kehidupannya, sel akan mati. Inilah sebabnya mengapa organisme yang bernapas dengan udara akan mati begitu cepat tanpa pasokan oksigen yang konstan: sel-sel kita tidak dapat menghasilkan energi yang cukup untuk tetap hidup tanpanya.

Alih-alih oksigen, sel anaerob menggunakan zat seperti sulfat, nitrat, sulfur, dan fumarat untuk mendorong respirasi seluler mereka. Banyak sel dapat melakukan respirasi aerob atau anaerob, tergantung apakah oksigen tersedia. Gambar di bawah mengilustrasikan tes tabung uji dimana para ilmuwan dapat menentukan apakah suatu organisme adalah:

• Aerob obligat – organisme yang tidak dapat bertahan tanpa oksigen
• Anaerob obligat – organisme yang tidak dapat bertahan hidup di hadapan oksigen
• Organisme aerotolerant – organisme yang dapat hidup di hadapan oksigen, tetapi tidak menggunakannya untuk tumbuh
• Aerob fakultatif – organisme yang dapat menggunakan oksigen untuk tumbuh, tetapi juga dapat melakukan respirasi anaerob

Lokasi

Di Mana respirasi Anaerob Terjadi? Respirasi anaerob terjadi di sitoplasma sel. Memang, sebagian besar sel yang menggunakan respirasi anaerob adalah bakteri atau archaea, yang tidak memiliki organel khusus.

Proses

• Respirasi aerob dan anaerob dimulai dengan pemisahan molekul gula dalam proses yang disebut “glikolisis.” Proses ini mengkonsumsi dua molekul ATP dan menciptakan empat ATP, untuk memperoleh dua ATP per molekul gula yang dibagi.
• Dalam respirasi aerob dan anaerob, kedua bagian molekul gula kemudian dikirim melalui serangkaian reaksi lain yang menggunakan rantai transpor elektron untuk menghasilkan lebih banyak ATP.
• Reaksi inilah yang membutuhkan akseptor elektron – baik itu oksigen, sulfat, nitrat, dll. – untuk menggerakkan mereka.

Perbedaan Respirasi Aerob dan Anaerob

Setelah glikolisis, baik sel aerob dan anaerob mengirim dua bagian glukosa melalui rantai panjang reaksi kimia untuk menghasilkan lebih banyak ATP dan mengekstrak elektron untuk digunakan dalam rantai transpor elektron mereka. Namun, bagaimana reaksi ini, dan di mana mereka terjadi, bervariasi antara sel aerob dan anaerob.

Dalam sel aerob, rantai transpor elektron, dan sebagian besar reaksi kimia respirasi, terjadi di mitokondria. Sistem membran mitokondria membuat prosesnya jauh lebih efisien dengan memusatkan reaktan kimia dari respirasi bersama-sama dalam satu ruang kecil.

Namun, dalam sel anaerob, respirasi biasanya terjadi di sitoplasma sel, karena sebagian besar sel anaerob tidak memiliki organel khusus. Serangkaian reaksi biasanya lebih pendek, dan menggunakan akseptor elektron seperti sulfat, nitrat, sulfur, atau fumarat daripada oksigen.

Respirasi anaerob juga menghasilkan lebih sedikit ATP untuk setiap molekul gula yang dicerna daripada respirasi aerob. Selain itu, menghasilkan produk limbah yang berbeda – termasuk, dalam beberapa kasus, alkohol!

Jenis

Jenis respirasi anaerob beragam seperti akseptor elektronnya. Jenis respirasi anaerob yang penting termasuk:

• Fermentasi asam laktat – Dalam jenis respirasi anaerob ini, glukosa dibagi menjadi dua molekul asam laktat untuk menghasilkan dua ATP.
• Fermentasi alkohol – Pada jenis respirasi anaerob ini, glukosa dibagi menjadi etanol, atau etil alkohol. Proses ini juga menghasilkan dua ATP per molekul gula.
• Jenis lain fermentasi – Jenis lain fermentasi dilakukan oleh beberapa bakteri dan archaea. Ini termasuk fermentasi asam proprionat, fermentasi asam butirat, fermentasi pelarut, fermentasi asam campuran, fermentasi butanadiol, fermentasi Stickland, acetogenesis, dan metanogenesis.

Persamaan

Persamaan untuk dua jenis respirasi anaerob yang paling umum adalah:

• Fermentasi asam laktat:

C6H12O6 (glukosa) + 2 ADP + 2 fosfat → 2 asam laktat + 2 ATP

• Fermentasi alkohol:

C6H12O6 (glukosa) + 2 ADP + 2 fosfat → 2 C2H5OH (etanol) + 2 CO2 + 2 ATP

Contoh

Nyeri Otot dan Asam Laktat

Selama olahraga yang intens, otot-otot kita menggunakan oksigen untuk menghasilkan ATP lebih cepat daripada yang bisa kita berikan dari pernapasan. Ketika ini terjadi, sel-sel otot dapat melakukan glikolisis yang lebih cepat daripada mereka dapat memasok oksigen ke rantai transpor elektron mitokondria. Hasilnya adalah fermentasi asam laktat terjadi di dalam sel kita – dan setelah olahraga yang lama, asam laktat yang terbentuk dapat membuat otot kita sakit!

Ragi dan Minuman Beralkohol

Minuman beralkohol seperti anggur dan wiski biasanya diproduksi oleh pembotolan ragi – yang melakukan fermentasi alkohol – dengan larutan gula dan senyawa penyedap lainnya. Ragi dapat menggunakan karbohidrat kompleks termasuk yang ditemukan dalam kentang, anggur, jagung, dan banyak biji-bijian lainnya, sebagai sumber gula. Menempatkan ragi dan sumber bahan bakarnya dalam botol kedap udara memastikan bahwa tidak akan ada cukup oksigen di sekitar untuk mengganggu respirasi anaerob yang menghasilkan alkohol! Alkohol sebenarnya beracun bagi ragi yang menghasilkannya – ketika konsentrasi alkohol menjadi cukup tinggi, ragi akan mulai mati.

Oleh karena itu, tidak mungkin untuk membuat anggur atau bir yang memiliki kandungan alkohol lebih dari 30%. Namun, proses distilasi, yang memisahkan alkohol dari komponen lain dari minuman, dapat digunakan untuk memusatkan alkohol dan menghasilkan minuman keras.

Metanogenesis

Sayangnya, fermentasi alkohol bukanlah satu-satunya jenis fermentasi yang dapat terjadi pada materi tanaman. Glukosa difermentasi menjadi etil alkohol – tetapi alkohol yang berbeda, yang disebut metanol, dapat dihasilkan dari fermentasi gula yang berbeda yang ditemukan pada tanaman.

Ketika selulosa difermentasi menjadi metanol, hasilnya bisa berbahaya. Bahaya “moonshine” – wiski homebrewed murah yang sering mengandung metanol dalam jumlah besar karena proses pembuatan bir dan distilasi yang buruk.

Kematian dan kerusakan saraf akibat keracunan metanol masih menjadi masalah di daerah-daerah di mana orang-orang tidak terampil mencoba menyeduh alkohol dengan murah. Jadi, jika Anda akan menjadi pembuat bir, pastikan Anda melakukan pekerjaan rumah Anda dengan baik, meskipun sebaiknya hindari saja.

Keju Swiss dan Asam Propionat

Fermentasi asam propionat memberikan keju Swiss dengan rasa yang khas. Lubang-lubang keju Swiss sebenarnya dibuat oleh gelembung gas karbon dioksida yang dilepaskan sebagai produk limbah dari bakteri yang menggunakan fermentasi asam propionat.

Setelah penerapan standar sanitasi yang lebih ketat pada abad ke-20, banyak produsen keju Swiss bingung untuk menemukan bahwa keju mereka kehilangan lubangnya – dan rasanya!

Pelakunya ditemukan sebagai kurangnya bakteri tertentu yang menghasilkan asam propionat. Selama berabad-abad, bakteri ini telah diperkenalkan sebagai kontaminan dari jerami yang dimakan sapi. Tapi setelah standar kebersihan yang lebih ketat diperkenalkan, ini tidak terjadi lagi!

Bakteri ini sekarang ditambahkan secara sengaja selama produksi untuk memastikan bahwa keju Swiss tetap beraroma dan mempertahankan penampilan berlubang yang dapat dikenali secara instan.

Cuka dan Acetogenesis

Bakteri yang melakukan acetogenesis bertanggung jawab untuk pembuatan cuka, yang terutama terdiri dari asam asetat. Cuka sebenarnya membutuhkan dua proses fermentasi, karena bakteri yang membuat asam asetat membutuhkan alkohol sebagai bahan bakar! Dengan demikian, cuka pertama difermentasi menjadi sediaan alkohol, seperti anggur. Campuran alkohol kemudian difermentasi lagi menggunakan bakteri acetogenik.

Contoh lain respirasi anaerob termasuk reduksi nitrat, denitrifikasi, reduksi sulfat dan reduksi karbonat. Semua metode ini menggunakan akseptor elektron selain oksigen dan memiliki sistem transpor elektron yang terikat membran. Mekanisme anaerob ini juga mensintesis adenosine triphosphate, atau ATP, melalui ATP sintase. Dalam reduksi nitrat, organisme menggunakan nitrat bukan oksigen sebagai akseptor elektron terminal. Karena proses ini tidak efisien, organisme yang menggunakan reduksi nitrat melakukannya hanya dalam keadaan ketika oksigen secara signifikan lebih tersedia daripada nitrat.

Denitrifikasi adalah proses terkait yang memungkinkan organisme untuk mereduksi nitrat, yang bisa menerima hingga enam elektron lebih, untuk gas nitrogen. Produk sampingan beracun dari denitrifikasi diatur secara hati-hati oleh organisme dalam proses yang kompleks yang melibatkan sejumlah besar gen.

Karena kompleksitas denitrifikasi ini, hanya beberapa organisme yang mampu menggunakannya. Denitrifikasi juga memiliki efek pada siklus nitrogen global, karena kebanyakan tanaman tidak dapat menggunakan gas nitrogen dan bukannya mengandalkan nitrat dari tanah. Reduksi sulfat digunakan oleh organisme yang hidup di lingkungan yang benar-benar tanpa oksigen. Delapan elektron ditambahkan ke sulfat, yang biasanya menjadi hidrogen sulfida.

Dengan menghasilkan energi bahkan lebih rendah dari nitrat, reduksi sulfat menghasilkan cukup energi untuk mensintesis ATP. Reduksi karbonat dapat dianggap tidak efisien, tetapi karbonat umum di alam. Proses anaerob ini diyakini menjadi salah satu yang tertua, seperti yang digunakan oleh anggota Archaea.