Friday, March 22, 2013


RESPIRASI PADA HEWAN

                                                                          
A. Pengertian respirasi (pernafasan)
Respirasi adalah proses pengambilan gas oksigen dari lingkungan dan pengeluaran karbon dioksida dari dalam tubuh makhluk hidup. Bernafas merupakan salah satu ciri utama makhluk hidup. Proses pertukaran gas oksigen dan karbon dioksida berlangsung secara difusi. Oksigen akan menuju semua sel dalam semua jaringan melalui alat-alat pernafasan.
Di dalam sel-sel tersebut gas oksigen menuju mitokondria untuk melakukan respirasi seluler. Respirasi seluler adalah proses pemecahan glukosa untuk menghasilkan energi melalui proses glikolisis, siklus krebs dan transport elektron. Reaksi pemecahan glukosa membutuhkan glukosa dan oksigen sehingga mampu menghasilkan energi, air, dan gas karbondioksida.
Sistem respirasi manusia dapat berlangsung berkat keberadaan alat-alat pernafasan. Alat pernafasan manusia terdiri dari rongga hidung, faring, trakea, bronkus, dan paru-paru. Bila salah satu organ pernafasan tidak mampu berfungsi secara normal maka bisa mempengaruhi kerja sistem pernafasan secara umum. Berikut ini penjelasan daftar nama alat pernafasan beserta fungsinya.
1. Rongga mulut
Di dalam rongga mulut terdapat selaput lendir dan rambut yang berfungsi untuk menahan kontaminasi benda-benda asing, misalnya debu dan kuman, yang ikut masuk ke dalam rongga hidung. Selain itu, rongga mulut manusia juga memiliki konka yang mengandung banyak kapiler darah sehingga dapat menghangatkan udara yang akan masuk ke dalam sistem pernapasan.
2. Pangkal tenggorokan (Faring)
Faring merupakan pertemuan antara saluran pernafasan (nasofarings) di bagian depan dan saluran pencernaan (orofarings) di bagian belakang. Saluran nafas akan terbuka ketika manusia berbicara, oleh karena itu jika kita makan sambil berbicara mungkinkan makanan masuk ke dalam saluran pernafasan.
Jika makanan masuk ke dalam saluran pernafasan, biasanya saluran pernafasan akan terangsang dan berusaha mengeluarkan makanan tersebut lewat hidung. Bentuknya adalah peristiwa tersedak. Pada bagian belakang farings terdapat laring (tekak). Pada laring terdapat pita suara (pita vocalis). Bila pita suara bergetar karena masuknya udara pada faring, maka akan menimbulkan suara.
3. Batang tenggorokan (trakea)
Batang tenggorokan berupa cincin-cincin tulang rawan yang memiliki silia-silia pada dinding di dalamnya. Silia-silia ini berfungsi untuk menyaring benda-benda asing yang ikut masuk ke dalam saluran pernafasan. Sebagian trakea terletak di leher dan sebagian lagi terletak di rongga dada. Batang tenggorokan pada orang dewasa memiliki panjang sekitar 10 cm.
4. Bronkus
Bronkus merupakan percabangan dari trakea. Trakea bercabang lagi menjadi dua, yaitu bronkus kanan dan bronkus kiri. Struktur lapisan mukosa bronkus hampir sama dengan trakea. Bronkus kanan dan bronkus kiri masing-masing bercabang-cabang lagi menjadi bronkiolus yang merupakan salah satu bagian paru-paru.
5. Paru-paru (Pulmo)
Paru-paru terletak di dalam rongga dada, di bagian bawah berbatasan dengan diafragma, sedangkan di depan dan di samping dibatasi oleh tulang rusuk. Diafragma adalah pembatas antara rongga perut dengan rongga dada. Paru-paru kanan (pulmo dekster) terdiri dari 3 lobus. Sedangkan paru-paru kiri (pulmo sinester) terdiri dari 2 lobus.
Paru-paru manusia terbungkus oleh dua selaput, yaitu pleura dalam (pleura visceralis) dan pleura luar (pleura parietalis). Pleura dalam langsung menyelimuti paru-paru, sedangkan pleura luar bersebelahan dengan tulang rusuk. Antara kedua pleura tersebut terdapat rongga tulang rusuk. Antara kedua pleura tersebut terdapat rongga yang berisi cairan pleura yang berfungsi sebagai pelumas paru-paru.
Paru-paru tersusun atas bronkiolus, alveolus, jaringan elastik, dan pembuluh darah. Alveolus adalah kantung udara yang terdapat pada ujung-ujung bronkiolus. Alveolus memiliki selaput tipis dan pada permukaannya banyak terdapat muara kapiler darah, oleh karena itu dapat berlangsung pertukaran gas oksigen dan karbon dioksida secara difusi.
Respirasi selular adalah proses perombakan molekul organik kompleks yang kaya akan energi potensial menjadi produk limbahyang berenergi lebih rendah (proses katabolik) pada tingkat seluler.  Pada respirasi sel, oksigen terlibat sebagai reaktan bersama dengan bahan bakar organik dan akan menghasilkan air, karbon dioksida, serta produk energi utamanya ATP. ATP (adenosin trifosfat) memiliki energi untuk aktivitas sel seperti melakukan sintesis biomolekul dari molekul pemula yang lebih kecil, menjalankan kerja mekanik seperti pada kontraksi otot, dan mengangkut biomolekul atau ion melalui membran menuju daerah berkonsentrasi lebih tinggi.  Secara garis besar, respirasi sel melibatkan proses-proses yang disebut glikolisis, siklus Krebs atausiklus asam sitrat, dan rantai transpor elektron. 
Didalam setiap sel hidup terjadi proses metabolism. Salah satu proses tersbut adalah katabolisme. Katabolisme disebut pula disimilasi, karena dalam proses ini energy yang tersimpan ditimbulkan kembali atau dibongkar untuk menyelenggarakan proses – proses kehidupan .
           Respirasi sel berlangsung didalam mitokondria melalui proses glikolisis, yakni proses pengubahan atom C6 menjadi C3. Dilanjutkan dengan proses dekarboksilasi oksidatif yang mengubah senyawa C3 menjadi senyawa C2 dan C1 (CO2). Kemudian daur krebs mengubah senyawa C2 menjadi senyawa C1(CO2¬).
Pada setiap tingkatan ini dihasilkan energy berupa ATP (adenosine Tri Phosphat) dan Hidrogen . hydrogen yang berenergi bergabung dengan akseptor hydrogen untuk dibawa ke transfer electron ; energynya dilepaskan dan hydrogen diterima oleh O2 menjadi H2O .
            Didalam proses respirasi dihasilkan senyawa antara CO2 yang merupakan bahan dasarproses anabolisme.
Didalam proses respirasi sel bahan bakarnya adalah gula heksosa. Pembakaran tersebut memerlukan oksigen bebas, sehingga reaksi keseluruhan dapat ditukis sebagai berikut :
C6h12O6 + 6 CO2   ----------------  6 CO2 + 6H2O + 675 kal
           Dalam respirasi aerob. Gula heksosa mengalami pembongkaran dengan proses yang sangat panjang. Pertamakali glukosa sebagai bahan dasar mengalami fosfolarisasi, yaitu proses penambahan fosfat kepada molekul – molekul glukosa hingga menjadi fruktosa -1, 6 – difosfat. Pada fosforilasi , ATP dan ADP memgang peranan penting sebagai pengisi fosfat.
Adapun pengubahan fruktosa – 1 , 6 – dipospat hingga akhirnya menjadi CO2 dan H2O dapat dibagi menjadi empat tahap , yaitu glikolisis, reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif), siklus krebs, dan transfer electron.

1. Glikolisis

       Adalah rangkaian reaksi pengubahan molekul glukosa menjadi asam piruvat dengan menghasilkan NADH dan ATP.
Sifat – sifat glikolisis ialah:
a. Dapat berlangsung secara aerob maupun anaerob
b. Dalam glikolisis terdapat kegiatan enzimatis dan AdenosineTrifosfat (ATP) serta Adenosine Difosfat (ADP)
c. ADP dan ATP berperan dalam pemindahan fosfat dari molekul satu ke molekul lainnya.
     
 Glukosa sebagai substrat dalam respirasi aerob (maupun anaerob) diperoleh dari hasil fotosintesis.diawali dengan penambahan satu fosfat oleh ATPO terhadap glukosa, sehingga terbentuk glukosa – 6 fosfat dan ATP menyusut menjadi ADP . peristiwa ini disebut fosfolirasi yang berlangsung dengan bantuan enzim heksokinase dan ion Mg++ hasil akhir dari fosfolirasi berupa fruktosa-1, 6-difosfat dan dari sinilah dimulai glikolisis.
     Glikolisis dimulai dari perubahan fruktosa -1, 6-difosfat yang memiliki 6 buah atom C diubah menjadi 3-difosfogliseral-dehida (dengan 3 buah atom C) dan dihidroksi-aseton-fosfat. Pembongkaran ini dibantu oleh enzim aldolase.
Dihidroksi aseton fosfat kemudian menjadi 3- fosfogliseraldehida juga dengan pertolongan enzim fosfitriosaisomerase. 
Selanjutnya fosfogliseraldehida bersebyawa dengan suatu asam fosfat (H3PO4) dan berubah menjadi 1,3 –disfosfogliseraldehida.
1,3 – difosfogliseraldehida berubah menjadi asam 1,3 –difosfogliserat dengan bantuan enzimdehidrogenase. Peristiwa ini terjadi karena adanya penambahan H2.
       Dengan bantuan enzim transfosforilase fosfogliserat serta ion – ion Mg++, asam 1,3-difosfogliserat kehilangan satu fosfat sehingga berubah menjadi asam – 3 – fosfogliserat. 
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 glikolisisadalah pelepasan satu fosfat dari asam-2-fosfoenolpiruvat menjadi asam piruvat. Enzim transfosforilase fosfopiruvat dan ion – ion Mg++ membantu proses ini sedang ADP meningkat menjadi ATP.
 
Saat glikolisis (penguraian gula), glukosa (gula berkarbon enam) diuraikan menjadi dua gula berkarbon tiga.  Glukosa merupakan molekul gula yang termasuk monosakarida dengan salah satu atom karbonnya merupakan gugus karbonil dan atom karbon lainnya terikat pada gugus hidroksil. Setelah glukosa diubah menjadi gula yang lebih kecil, kemudian dioksidasi dan atom sisanya disusun ulang untuk membentuk dua molekul piruvat.  Proses glikolisis menghasilkan 2 ATP, 2 NADH dan molekul organik untuk siklus Krebs.

2. Reaksi Antara

     Setelah glikolisis terjadi reaksi antara. (dekarboksilasi oksidatif), yaitu pengubahan asam piruvat menjadi 2 asetil KoA sambil menghasilkan CO2 dan 2NADH2 yang reaksinya adalah :
2 NAD 2NADH2
2(C3H4O3) 2 (C3H3O) – KoA + 2CO2
Piruvat Asetil KoA
        Perubahan asam piruvat menjadi asetil KoA merupakan persimpangan jalan untuk menuju berbagai biosintesis yang lain. Asetil KoA yang terbentuk kemudian memasuki siklus krebs.
Siklus Krebs adalah siklus asam sitrat, disebut siklus Krebs karena seorang saintis Jerman-Inggris yang bernama Hans Krebs yang membeberkan siklus ini.  Sebelum masuk ke siklus Krebs, mula-mula piruvat diubah menjadi asetil CoA. Kemudian asetat dari asetil CoA masuk sebagai molekul berkarbon dua dan bertemu dengan oksaloasetat untuk membentuk sitrat. Langkah-langkah berikutnya menguraikan sitrat kembali menjadi oksaloasetat sehingga membentuk siklus dengan melepaskan karbon dioksida, ATP dan molekul-molekul pembawa elektron.
Pada siklus krebs ini (terjadi dimatriks mitokondria) 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. 
                                                                 SIKLUS KREBS 
 
    
gambar:siklus krebs

Pembentukan asam sitrat terjadi diawal siklus krebs , sementara itu sisa dua karbon dari glukosa dilepaskan sebagai CO2.
Selama terjadi pembentukan – pembentukan , energy yang dibutuhkan dilepaskan untuk menggabungkan fosfat denga ADP membentuk molekul ATP.
    Pada siklus krebs , pemecahan rantai karbon pada glukosa selesai, Jadi, sebagai hasil dari glikoslisis , reaksi antara dan siklus krebs adalah pemecahan satu molekul glukosa 6 karbon menjadi 6 molekul 1 karbon, selain itu juga dihasilkan 2 molekul ATP dari glikolisis dan 2 ATP lagi dari siklus krebs.
Perlu diingat bahwa tiap – tiap proses melepaskan atom hydrogen yang ditranspor ke sistem transport electron oleh molekul pembawa .

Rantai transpor elektron      

Rantai transpor elektron menerima elektron dari produk hasil perombakan glikolisis dan siklus Krebs dan mentransfer elektron dari satu molekul ke molekul lain.  Energi yang dilepaskan dari setiap pelepasan elektron tersebut digunakan untuk membuat ATP.

4. Sistem transport electron 
    Pada sistem transpor electron berlangsung pengepakan energy dari glukosa menjadi ATP.
Reaksi ini terjadi didalam membaran dalam mitokondria, hydrogen dari siklus krebs yang tergabung dalam FADH2dan NADH diubah menjadi elektorn dan proton.
Pada sistem transport electron ini, oksigen adalah akseptor electron yang terakhir , setelah menerima electron , O2 akan bereaksi dengan H+ membentuk H2O. pada sistem ini dihasilkan 34 ATP.
Jadi total ATP yang dihasilkan dari respirasi seluler adalah sebagai berikut:
Secara tidak langsung secara Lewat sistem transport elektron langsung
Glikolisis                 2 NADH2 = 6 ATP                            2 ATP
Reaksi antara          2 NADH2 = 6 ATP 
Siklus Krebs           6 NADH2 = 18 ATP                           2 ATP
                              2 FADH2 = 4 ATP
                        ------------------------------------                      ------------------
                                               34 ATP                            4 ATP


5. Respirasi Aerob dan Anaerob

    Respirasi aerob adalah suatu proses pernapasan yang membutuhkan iksigen dari udara.
Ada beberapa tumbuhan yang kegiatan respirasinya menurun bila konsentrasi oksigen di udara dibawah normal, misalnya bayam, wortel dan bebrapa tumbuhan lainnya.
     Respirasi anaerob dapat pula disebut fermentasi atau respirasi intramolekul. Tujuan fermentasi sama dengan respirasi aerob, yaitu mendapatkan energy. Hanya saja energi yang dihasilkan jauh lebih sedikit dari respirasi aerob.
Perhatikan reaksi dibawah ini!
Respirasi aerob :
C6H12O6 ---- 6 CO2 + 6 H2O + 675 kal + 38 ATP
Respiasi anaerob:
C6H12O6 ------  2 C2H5OH + 2CO2 + 21 kal + 2 ATP
Pernapasan anaerob dapat berlangsung didalam udara bebas, tetapi proses ini tidak menggunakan O2 yang disediakan di udara. Fermentasi sering pula disebut sebagai peragian alcohol atau alkoholisasi.
Pada respirasi aerob maupun anaerob, asam piruvat hasil proses glikolisis merupakan substrat.
                                          Perhatikan skema dibawah ini !
                                          
                                                      Respirasi aerob dan respirasi anaerob
a) Asam piruvat dalam respirasi anaerob
 
b) Asam piruvat dalam respirasi aerob
    Pembongkaran sempurna terjadi pada oksidasi asam piruvat dalam respirasu aerob. Dari proses ini dihasilkan CO2 dan H2O serta energy yang lebih banyak , yaitu 38 ATP.
Prinsip-Prinsip Respirasi
1. Pertukaran  gas antara lingkungan  eksternal (udara, air) dengan internal (cairan tubuh) tidak pernah secara “transport aktif”
2. Difusi berlangsung dari daerah tekanan tinggi ke tekanan rendah.  Selisih tekanan sebagai energi pendorong
3. Volume oksigen yang diperlukan hewan diekspresikan sebagai ml/kg BB/jam
4. Kebutuhan Oksigen dipengaruhi oleh usia, aktifitas, berat badan. Mammal dan burung perlu O2 lebih besar dibandingkan ikan, amphibi
                                                                 

Tahapan Respirasi
- Respirasi luar,  pertukaran O2 dan CO2 antara atmosfir dgn paru-paru. Utk hewan aquatic medium air dengan insang
- Transport,  pengangkutan O2 dari kapiler paru ke seluruh sel, atau pengangkutan CO2 ke luar paru
- Respirasi dalam, oksidasi –biologi/ pembakaran makanan

Mekanisme Pernafasan 
a. Inspirasi, Costae(rusuk) dan diafragma  kontraksi, Rongga dada besar, tekanan pulmo (paru) kecil ; udara luar masuk
b. Ekspirasi, Costae (rusuk) dan diafragma relaksasi, rongga dada kecil Tekanan pulmo (paru) naik; udara didorong keluar

Tekanan Partial gas
- Gas bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah (Difusi Pasif). 
- Tekanan O2 di alveolus dan di kapiler paru cukup untuk menggerakkan O2 tersebut ke kapiler. CO2 bergerak kearah berlawanan dengan O2
Komposisi dan tekanan gas pernafasan :
Gas    Atmosfir                 alveolus                    arteri                vena
02        20,94%                 14,2%
            159,1 mmHG        108 mmHg           100 mmHg        40mmHg
CO2    0,04%                   5,5%
            0,3 mmHg            39 mmHg               40 mmHg        45mmHg
N2       79,2%                  20,3%
            600,6 mmHg        573mmHg              573 mmHg    573mmHg 
JML    100%
           760 mmHg            713mmHg              713 mmHg       659 mmHg

Permukaan Difusi
O2 dan CO2 pernafasan bergerak secara pasif (difusi). 
Jika massa gas respirasi = M, luas permukaan difusi = A, 
    jarak difusi =  X,  koefisien difusi = D, selisih tekanan gas antara dua membran respirasi = (a1 – a2), mk  kecepatan bergerak gas persatuan waktu (M/dtk) adalah :
                M/dtk = DA (a1- a2) 
                              X
- makin besar luas permukaan difusi, partikel difusi/gas respirasi (M) makin besar
- makin pendek jarak difusi (x), makin besar partikel difusi/gas respirasi (M)
- makin besar selisih tekanan gas, makin besar partikel difusi difusi/gas respirasi (M)

HUKUM GAS :
Menurut Robert Boyle dan Gay Lusaac
Volume atau tekanan gas berbanding lurus dengan suhu absolute.
            PV = n R K 
P = tekanan, V = volume,  n = jml molekul gas
    R = konstanta gas          K = suhu absolute

H
ukum Avogadro
Pada suhu dan tekanan sama, 2 macam gas yang volumenya sama mempunyai jumlah molekul yang sama.
1 gram mol suatu gas pd tekanan 760 mmHg volumenya 22,414. Dalam Fisiologi ditentukan  pada keadaan suhu tubuh, tekanan , dan jenuh uap air (BTPS = body temp, Pressurer, Saturated) .
contoh; 
jika suhu 20 °C, vol gas 500 ml, tekanan 760 mmHg. Tekanan uap air pada suhu 37 °C dan 20 °C secara berturut-turut 47,1 mmHg, dan 17,5 mmHg.  Maka Vol udara ekspirasi
         500 x (760-17,5) /(760-47,1) x (273 + 37)/(273 + 20)  =  551 ml                                               
Hukum Dalton:
Tekanan partial masing-masing gas dalam campuran gas tidak tergantung dari gas yang lain tetapi dipengaruhi jml molekul pada volume dan suhu tertentu.
Contoh : 
    O2 di atmosfir 20,94% , tekanan udara 760 mmHg,maka
       besarnya tekanan partial O2 adalah :  
     20,94/100 x 760  = 150 mmHg
            
Kelarutan O2 dan CO2 dalam darah :
- O2 berdifusi melintasi membran respirasi menuju kapiler darah dan berikatan dgn pigmen respirasi membentuk Oksihaemoglobin (HbO2)
- Besarnya Koefisien kelarutan O2 atau BSC ; Bunsen Solubity Coefisien = 2,4 ml O2 pd suhu 37 C, tekanan 760 mmHg, dan Vol 100 ml darah. 
- Maka jmlh O2 yg larut dlam 100 ml plasma darah arteri PO2 = 100mmHg dan suhu 37 °c adalah = 

    100/ 760 x 2,4 ml = 0.3 ml O2/100ml
- Kandungan total O2 dlm darah = HbO2 + O2 dlm plasma


Volume udara pernafasan:
- Volume Tidal (VT) = Vol Pernapasan normal (VPN) = 500 ml
- Vol cad inspirasi (VCI)  = vol udara yang dapat diirup setelah inspirasi normal = 3000 m
- Vol cad  ekspirasi (VCE) = vol udara yang dapat di lepaskan setelah ekspirasi = 1000 ml
- Vol residu (VR)= vol udara yang tinggal diparu-paru setelah ekspirasi maksimal = 1200 ml
- Kapasitas vital (KV)=vol udara yang dapat di keluarkan dengan ekspirasi maksimum setelah inspirasi 
- KV = VT + VCI + VCE  = 4500 ml
- VTP (Volume Total Paru-paru) = volume udar yang tertampung didalam paru-paru
- VTP = KV + UR

Volume udara segar yang mancapai alveoli =
Jika vol tidal = 500 ml, laju pernafasan 12 x tiap menit, maka volume total udara yang masuk ke paru-paru = 500 x 12 = 6000 ml,
Tetapi tidak semua udara yang masuk sampai ke alveolis. Dari 500 ml vol udara,  kurang lebih 150 ml masuk ke daerah yang secara anatomi tidakberfungsi  (anatomic dead space) , sehingga udara yang mencapai alveoli = (500 – 150) x 12  = 4200  ml 

Frekuensi pernafasan:
NO      Katagori          Frekuensi/mnt
1       Dewasa            15 – 20 x
2      Bayi                   35 x
3      5 Th                  26 x
4      Laki-laki          25 th   -  18 x
5      Laki-laki 50 th               15 x
7.    kelinci                  30 x
8.    monyet               31 x
9.    anjing                 29 x
10.  kucing              24 x

Tekanan Udara Pernafasan :
a. Tekanan O2 : 
- Dalam sehari semalam O2 yang dibutuhkan = 300 ltr 
    atau ¼ ltr / menit
- 2 – 3% larut dalam plasma darah, dan selebihnya diangkut oleh Hb
- Aliran O2 dari paru-paru ke sel-sel jaringan tubuh terjadi karena perbedaan tekanan partial O2 yaitu :
  Tek. O2 paru-paru = 150 mmHg  → Tek. O2 Paru-paru = 100 mmHg → Tek. O2 Jaringan = 0 – 40 mmHg    
Tiap 100 cc darah arterial pada tek. 100 mmHg mengangkut 19 cc O2
Tiap 100 cc darah vena pada tek. 40 mmHg mengandung 12 cc O2
Jadi, tiap 100 cc darah hanya mengantar 7 cc O2 ke jaringan
Berarti tiap 5 liter darah menghantarkan 350 cc O2.

b. Tekanan CO2 :
- Tekanan CO2 jaringan = 60 mmHg → Tek. CO2 vena = 47 mmHg → Tek. CO2 alveolus = 35 mmHg
- Tiap liter darah mengandung 200 cc CO2 yang larut dalam plasma darah membentuk asam karbonat dan diangkut dalam bentuk HCO3
 
    CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3¯ 
- Terbentuknya H2CO3 menyebabkan pH darah turun = 4,5 
- pH darah akan dinetralkan oleh ion Na dan Ca
- Reaksi ini bolak balik dan dibantu enzym karbonat anhidrase
- Jika terjadi gangguan pengangkutan CO2 maka akan menyebabkan kadar H2CO3 dalam
darah naik dan menurunkan kadar alkali darah yang disebut acidosis

 

Referensi                                                            

Campbell NA, Reece BJ, Mitchell LG. 2002. Biologi. Jakarta: Erlangga
Roswiem AP et al. 2002. Biokimia Umum Jilid 1. Bogor: Departemen Biokimia-FMIPA Institut Pertanian Bogor


No comments:

Post a Comment