A. Pengertian respirasi
Respirasi adalah suatu proses pengambilan O2 untuk memecah senyawa-senyawa organik menjadi CO2, H2O dan energi. Namun demikian respirasi pada hakikatnya adalah reaksi redoks, dimana substrat dioksidasi menjadi CO2 sedangkan O2 yang diserap sebagai oksidator mengalami reduksi menjadi H2O, yang disebut substrat respirasi adalah setiap senyawa organik yang dioksidasikan dalam respirasi atau senyawa-senyawa yang terdapat dalam sel tumbuhan yang secara relatif banyak jumlahnya dan biasanya direspirasikan menjadi CO2 dan H2O. Sedangkan metabolit respirasi adalah intermediat-intermediat yang terbentuk dalam reaksi-reaksi respirasi.
B. Respirasi pada Tumbuhan dan Hewan
a) Sistem Pernapasan pada Tumbuhan
Sebagaimana kita ketahui dalam semua aktivitas makhluk hidup memerlukan energi begitu juga dengan tumbuhan. Respirasi terjadi pada seluruh bagian tubuh tumbuhan, pada tumbuhan tingkat tinggi respirasi terjadi baik pada akar, batang maupun daun dan secara kimia pada respirasi aerobik pada karbohidrat (glukosa) adalah kebalikan fotosintesis. Pada respirasi pembakaran glukosa oleh oksigen akan menghasilkan energi karena semua bagian tumbuhan tersusun atas jaringan dan jaringan tersusun atas sel, maka respirasi terjadi pada sel (Campbell, 2002).
Pada reaksi respirasi glukosa, dapat dituliskansebagai berikut :
C6H12O6 6CO2 + 6H2O + Energi
Tumbuhan hijau bernapas dengan mengambil oksigen dari lingkungan, tidak semua tumbuhan bernapas dengan menggunakan oksigen. Tumbuhan tak berklorofil benapas tanpa memerlukan oksigen. Tujuan proses pernapasan yaitu untuk memperoleh energi. Pada peristiwa bernapas terjadi pelepasan energi. Tumbuhan yang bernapas secara anaeraob mendapatkan energi dengan car menguraikan bahan – bahan tertentu dimana mereka hidup. Dalam proses pernapasan aerob / anaerab akan dihasilkan gas karbon dioksida dan uap air. Gas dan uap air tersebut dikeluarkan dari tubuh. Oksigen diperlukan dan karbon dioksida yang dihasilkan masuk dan keluar dari tubuh secara difusi. Gas – gas tersebut masuk dan keluar melalui stomata yang ada pada permukaan daun dan inti sel yang ditemukan pada kulit batang pegangan. Akar yang berada dalam tanah juga dapat melakukan proses keluar msuknya gas. Tumbuhan yang hidup di daerah rawa/berlumpur mempunyai akar yang mencuat keluar deari tanah. Akar ini disebut akar panas. Kandungan katalis disebut juga enzim, enzim sangat penting untuk siklus reaksi respirasi (sebaik-baiknya proses respirasi). Beberapa reaksi kimia membolehkan mencampur dengan fungsi dari enzim atau mengkombinasikan sisi aktifnya. Penggunaan ini akan dapat dilihat hasilnya pada inhibitor dari aktivitas enzim (Kimball, 1983).
Mahluk hidup memerlukan respirasi untuk mempertahankan hidupnya, begitu pula pada tumbuhan. Respirasi pada tumbuhan menyangkut proses pembebasan energi kimiawi menjadi energi yang diperlukan untuk aktivitas hidup tumbuhan. Pada siang hari, laju proses fotosintesis yang dilakukan tumbuhan sepuluh kali lebih besar dari laju respirasi. Hal itu menyebabkan seluruh karbondioksida yang dihasilkan dari respirasi akan digunakan untuk melakukan proses fotosintesis. Respirasi yang dilakukan tumbuhan menggunakan sebagian oksigen yang dihasilkan dari proses fotosintesis, sisanya akan berdifusi ke udara melalui daun. Reaksi penguraian glukosa sampai menjadi H2O, CO2 dan energi melalui tiga tahap, yaitu glikolisis, daur Krebs, dan transpor elektron respirasi.
Glikolisis merupakan peristiwa perubahan glukosa menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NADH yang berfungsi sebagai sumber elektron berenergi tinggi dan 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa. Daur Krebs (daur trikarboksilat) atau daur asam sitrat merupakan penguraian asam piruvat secara aerob menjadi CO2 dan H2O serta energi kimia. Reaksi ini terjadi disertai dengan rantai transportasi elektron respiratori. Produk sampingan respirasi tersebut pada akhirnya dibuang ke luar tubuh melalui stomata pada tumbuhan. Respirasi banyak memberikan manfaat bagi tumbuhan. Proses respirasi ini menghasilkan senyawa-senyawa yang penting sebagai pembentuk tubuh. Senyawa-senyawa tersebut meliputi asam amino untuk protein, nukleotida untuk asam nukleat, dan karbon untuk pigmen profirin (seperti klorofil dan sitokrom), lemak, sterol, karotenoid, pigmen flavonoid seperti antosianin, dan senyawa aromatik tertentu lainnya, seperti lignin. Sedangkan energi yang ditangkap dari proses oksidasi dalam proses respirasi dapat digunakan untuk mensintesis molekul lain yang dibutuhkan untuk pertumbuhan.
Pernafasan pada tumbuhan tingkat tinggi berlangsung secara aerob, pada pernafasan ini terjadi proses pembebasan energi dari sari makanan di dalam sel tubuh melalui proses oksidasi biologis, Oksidasi biologis adalah suatu reaksi antara sari makanan dengan oksigen yang menghasilkan karbon dioksida (CO2), air (H2O) dan energi. Reaksikiia ini merupakan reaksi enzimatis, enzim berperan sebagai katalisator (pemercepat proses reaksi).
Energi yang dihasilkan dari pernapasan digunakan oleh tumbuhan untuk melakukan berbagai kegiatan hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan dan melakukan kegiatan didalam hidupnya misalnya untuk pertumbuhan pembentukan protein, mengangkut mineral didalam tanah melakukan kembang biak serta melakukan proses fotosintesis.
Respirasi pada tumbuhan dapat dibedakan menjadi dua yaitu aerob dan anaerob, pernafasan aerob memerlukan oksigen O2, sedangkan pernafasan anaerob tiidak memerlukan oksigen, untuk pernafasan anaerob dibedakan menjadi obligatif dan fakultatif, pernafasan anaerob obligatif mutlak memerlukan oksigen sedangkan anaerob fakultatif dapat berlangsung tanpa atau dengan oksigen.
1. Pernafasan tumbuhan tingkat tinggi
Pernafasan pada tumbuhan tingkat tinggi berlangsung secara aerob. Pada pernapasan ini terjadi proses pembebasan energi dari sari makanan di dalam sel tubuh melalui proses oksidasi biologis, Oksidasi biologis adalah suatu reaksi antara sari makanan dengan oksigen yang menghasilkan karbon dioksida (CO2), air (H2O) dan energi. Reaksikiia ini merupakan reaksi enzimatis, enzim berperan sebagai katalisator ( pemercepat proses reaksi ).
Energi yang dihasilkan dari Respirasi digunakan oleh tumbuhan untuk melakukan berbagai kegiatan hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan dan melakukan kegiatan di dalam hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan, pembentukan protein mengangkut mineral dari dalam tanah, berkembang biak, serta melakukan proses fotosintesis.
2. Pernafasan pada tumbuhan tingkat rendah
Pernafasan pada tumbuhan tingkat rendah ada yang aaerob dan ada yang anaerob. Pernafasan anaerob disebut juga dengan fermentasi ( proses pengubahan senyawa utama menjadi senyawa bentuk lain dengan bantuan enzim) , misalnya proses pembentukan alkohol dari glukosa denganbantuan jamur ragi ( Saccharomyces ).
Ditinjau dari kebutuhannya akan oksigen, respirasi dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu :
a. Respirasi Aerobik (Aerob)
Respirasi aerob yaitu respirasi yang menggunakan oksigen oksigen bebas untuk mendapatkan energi. Persamaan reaksi proses respirasi aerob secara sederhana dapat dituliskan : C6H12O6 + 6H2O –>>6H2O + 6CO2 + 675 kal. Dalam kenyataan reaksi yang terjadi tidak sesederhana itu banyak tahapan yang terjadi dari awal hingga terbentuknya energi. Reaksi-reaksi itu dapat dibedakan menjadi 3 tahapan yaitu glikolosis, siklus krebs dan transport elektron (syamsuri, 1980).
1) Glikolisis
Kata “glikolisis” berarti “menguraikan gula” dan itulah yang tepatnya terjadi selama jalur ini. Glukosa, gula berkarbon enam, diuraikan menjadi dua gula berkarbon tiga. Gula yang lebih kecil ini kemudian dioksidasi, dan atom sisanya disusun ulang untuk membuat dua molekul piruvat (Champbell, 2002) NADH merupakan sumber elektron berenergi tinggi, sedangkan ATP adalah persenyawaan berenergi tinggi. Selama glikolisis dihasilkan 4 molekul ATP, akan tetapic 2 molekul ATP diantaranya digunakan kembali untuk berlangsungnya reaksi-reaksi yang lain sehingga tersisa 2 molekul ATP yang siap digunakan untuk tubuh. Seluruh proses glikolisis tidak memerlukan oksigen. Reaksi glikolisis terjadi di sitoplasma (di luar mitokondria). Hasil akhir sebelum memasuki siklus krebs adalah asam piruvat. Ada yang membedakan tahap ini menjadi dua yaitu glikolisis dan dekarbosilasi oksidatif. Glikolisis mengubah senyawa 6C menjadi senyawa 2C pada hasil akhir glikolisis. Yang dimaksud dekarbosilasi oksidatif adalah reaksi asam piruvat diubah menjadi asetil KoA (syamsuri, 1980).
2) Siklus krebs
Glikolisis melepas energi kurang dari seperempat energi kimiawi yang tersimpan dalam glukosa, sebagian besar energi itu tetap tersimpan dalam dua molekul piruvet. Jika ada oksigen molekuler, piruvat itu memasuki mitokondria dimana enzim siklus krebs menyempurnakan oksidasi bahan bakar organiknya (Champbell, 2002) Memasuki siklus krebs, asetil KoA direaksikan dengan asam oksaloasetat (4C) menjadi asam piruvat (6C). selanjutnya asam oksaloasetat memasuki daur menjadi berbagai macam zat yang akhirnya menjadi asam oksalosuksinat. Dalam perjalanannya, 1C (CO2) dilepaskan. Pada tiap tahapan, dilepaskan energi dalam bentuk ATP dan hidrogen. ATP yang dihasilkan langsung dapat digunakan. Sebaliknya, hidrogen berenergi digabungkan dengan penerima hidrogen yaitu NAD dan FAD, untuk dibawa ke sistem transport elektron. Dalam tahap ini dilepaskan energi, dan hidrogen direasikan dengan oksigen membentuk air. Seluruh reaksi siklus krebs berlangsung dengan memerlukan oksigen bebas (aerob). Siklus krebs berlangsung didalam mitokondria (Syamsuri, 1980).
3) Sistem Transpor Elektron
Energi yang terbentuk dari peristiwa glikolisis dan siklus krebs ada dua macam. Pertama dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi, yaitu ATP atau GTP (Guanin Tripospat). Energi ini merupakan energi siap pakai yang langsung dapat digunakan. Kedua dalam bentuk transport elektron, yaitu NADH (Nikotin Adenin Dinokleutida) dan FAD (Flafin adenine dinukleotida) dalam bentuk FADH2. Kedua macam sumber elektron ini dibawa kesistem transfer elektron. Proses transfer elektron ini sangat komplek, pada dasarnya elektron dan H+ dan NADH dan FADH2 dibawa dari satu substrak ke substrak yang lain secara berantai. Setiap kali dipindahkan, energi yang terlepas digunakan untuk mengikatkan fosfat anorganik (P) kemolekul ADP sehingga terbentuk ATP. Pada bagian akhir terdapat oksigen sebagai penerima, sehingga terbentuklah H2O. katabolisme 1 glukosa melalui respirasi aerobik menghasilkan 3 ATP. Setiap reaksi pada glikolisis, siklus krebs dan transport elektron dihasilkan senyawa – senyawa antara. Senyawa itu digunakan bahan dasar anabolisme (Syamsuri, 1980).
b) Respirasi Anaerobik (Anaerob)
Respirasi anaerobik adalah reaksi pemecahan karbohidrat untuk mendapatkan energi tanpa menggunakan oksigen. Respirasi anaerobik menggunakan senyawa tertentu misalnya asam fosfoenol piruvat atau asetal dehida, sehingga pengikat hidrogen dan membentuk asam laktat atau alkohol. Respirasi anaerobik terjadi pada jaringan yang kekurangan oksigen, akan tumbuhan yang terendam air, biji – biji yang kulit tebal yang sulit ditembus oksigen, sel – sel ragi dan bakteri anaerobik. Bahan baku respirasi anaerobik pada peragian adalah glukosa. Selain glukosa, bahan baku seperti fruktosa, galaktosa dan malosa juga dapat diubah menjadi alkohol. Hasil akhirnya adalah alkohol, karbon dioksida dan energi. Glukosa tidak terurai lengkap menjadi air dan karbondioksida, energi yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan respirasi aerobik. Reaksinya:
C6H12O6 Ragi >> 2C2H5OH + 2CO2 + 21 Kal
Dari persamaan reaksi tersebut terlihat bahwa oksigen tidak diperlukan. Bahkan bakteri anaerobik seperti klostidrium tetani (penyebab tetanus) tidak dapat hidup jika berhubungan dengan udara bebas. Infeksi tetanus dapat terjadi jika luka tertutup sehingga memberi kemungkinan bakteri tambah subur (Syamsuri, 1980).
Seperti dijelaskan sebelumnya, proses respirasi diawali dengan proses pertukaran gas oksigen dan karbon dioksida melalui alat pernapasan. Alat pernapasan tumbuhan letaknya tersebar. Tumbuhan dapat melakukan pertukaran gas melalui stomata, lenti sel, dan rambut akar. Pada tumbuhan tertentu, pernapasan melalui alat khusus, misalnya akar napas pada tumbuhan bakau maupun beringin. Berikut ini akan dijelaskan alat-alat pernapasan tumbuhan.
1. Stomata
Stomata atau mulut daun terdiri atas celah atau lubang yang dikelilingi oleh dua sel penjaga dan terletak di daun. Stomata berfungsi sebagai tempat pertukaran gas pada tumbuhan, sedangkan sel penjaga berfungsi untuk mengatur, membuka dan menutupnya stomata.
Stomata tumbuhan pada umumnya membuka pada saat matahari terbit dan menutup saat hari gelap. Membuka dan menutupnya stomata dipengaruhi oleh kandungan air dan ion kalium di dalam sel penjaga. Ketika sel penjaga memiliki banyak ion kalium, air dari sel tetangga akan masuk ke dalam sel penjaga secara osmosis. Akibatnya, dinding sel penjaga yang berhadapan dengan celah stomata akan tertarik ke belakang, sehingga stomata menjadi terbuka. Sebaliknya, ketika ion kalium keluar dari sel penjaga, air dari sel penjaga akan berpindah secara osmosis ke sel tetangga. Akibatnya, sel tetangga mengembang dan mendorong sel penjaga ke arah celah sehingga stomata menutup. Perhatikan gambar dibawah ini :
Gamabar : Membuka dan menutupnya stomata diatur oleh sel penjaga (guard cell) ; stoma membuka (kiri), stoma menutup (kanan). (Sumber : Campbell et al. 1999)
2. Lentisel
Pada tumbuhan dikotil, selain kambium intervasikuler yang membentuk xilem dan floem sekunder, ada juga kambium gabus yang menghasilkan parenkima gabus dan lapisan gabus. Lapisan gabus akan menggantikan epidermis. Lapisan gabus terdiri atas sel-sel mati dan membantu melindungi batang. Kambium gabus, parenkima gabus, dan lapisan gabus akan mengelupas dan lepas sebagai bagian kulit. Akibatnya, timbul lubang-lubang di batang yang disebut lentisel. Lentisel memungkinkan sel-sel tetap hidup di dalam batang melalui pertukaran gas dengan udara luar.
Gamabar : Lentisel (Sumber: http://www.biyolojiegitim.yyu.edu.tr)
3. Rambut Akar
Selain untuk menghisap air dan garam-garam mineral, rambut akar berfungsi sebagai alat pernapasan. Sel-sel rambut akar akan mengambil oksigen pada pori-pori tanah.
Gamabar : Rambut Akar
4. Alat Pernapasan Khusus
Kemampuan tumbuhan beradaptasi terhadap lingkungan menghasilkan alat pernapasan khusus. Tumbuhan bakau yang hidup di lingkungan air laut mempunyai akar yang tumbuh ke atas permukaan tanah untuk memperoleh oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Akar tersebut disebut akar napas.
Pohon beringin dan anggrek mempunyai akar gantung untuk bernapas. Akar tersebut tumbuh dari batang dan menggantung kearah tanah. Pada saat masih menggantung, akar ini menyerap uap air dan gas dari udara. Akan tetapi setelah masuk ke tanah, akar tersebut berfungsi menyerap air dan garam mineral. Tumbuhan yang hidup di air seperti enceng gondok dan kangkung, batangnya mempunyai rongga-rongga udara yang besar berfungsi untuk menyalurkan oksigen.
Gamabar : (a) akar pohon bakau (b) akar pohon beringin
Pertukaran Gas
Pertukaran gas antara tumbuhan dan lingkungannya merupakan bagian yang penting dalam respirasi. Pertukaran gas secara keseluruhan berlangsung secara difusi. Difusi merupakan perpindahan zat dari larutan pekat ke larutan encer. Oksigen akan masuk ke dalam sel tumbuhan secara difusi melalui ruang antar sel, dinding sel, membran sel, dan akhirnya masuk ke dalam sel. Begitu juga dengan karbondioksida, yang akan berdifusi ke luar sel dan masuk ke ruang antar sel. Transpor oksigen dan karbon dioksida antara ruang antar sel dengan lingkungan luar juga berlangsung secara difusi.
o Proses Respirasi
Respirasi merupakan proses penguraian senyawa organik menjadi air dan karbondioksida untuk memperoleh energi dengan bantuan oksigen. Senyawa organik merupakan bahan bakar respirasi untuk menghasilkan ATP, sedangkan produk limbah respirasi seperti karbon dioksida dan air, merupakan bahan yang digunakan kloroplas sebagai bahan mentah untuk fotosintesis. Lihat Gambar 6. Energi (ATP) yang diperoleh dari proses respirasi, akan digunakan untuk aktifitas metabolisme tubuh tumbuhan. Proses keseluruhan dapat dirangkum sebagai berikut:
Senyawa organik + oksigen –> karbon dioksida + air + energy
Gambar : Hubungan antara proses fotosintesis dengan proses respirasi pada tumbuhan (Sumber: Campbell, et all, 2006)
Glukosa, lemak, dan protein dapat diproses dan digunakan sebagai bahan respirasi. Jika glukosa (C6H12O6) yang digunakan sebagai bahan respirasi maka reaksinya dapat ditulis sebagai berikut:
C6H12O6 6CO2 + 6H2O + Energi
Sebagian besar dari energi (kira-kira 2.870 KJ atau 686 kcal mol-1 glukosa) yang disebabkan selama respirasi adalah panas (kalor ). Jika suhu rendah, panas tersebut dapat memicu metabolisme dan menguntungkan pertumbuhan beberapa spesies tumbuhan, tetapi biasanya panas itu hanya dipindahkan ke atmosfir atau ke tanah dengan tidak berakibat apa pun bagi tumbuhan. Jauh lebih penting dari panas adalah energy yang tersimpan dalam ATP, karena energy itu dapat digunakan kelak dalam banyak proses hidup penting, seperti tumbuh dan akumulasi ion.
Ringkasan reaksi respirasi tersebut di atas menyesatkan, karena respirasi tidak hanya terdiri atas satu reaksi. Repirasi terdiri atas 50 atau lebih reaksi, masing-masing dikatalisi oleh enzim yang berbeda. Respirasi adalah suatu oksidasi yang berlangsung dalam medium air, dan pada pH mendekati netral. Penguraian molekul-molekul besar setahap demi setahap memberikan suatu cara untuk mengubah energi ATP. Pada waktu penguraian berlangsung, karbon antara untuk sintesis sejumlah produk tumbuhan yang penting. Temasuk di sini anatara lain asam amino untuk protei, nukleotida untuk asam nukleat dan precursor karbon untuk pigmen profirin (seperti klorofil dan sitokrom) serta untuk lemak terol, karotenoid antosianin dan beberapa senyawa aromatik yang lain. Pada waktu senyawa-senyawa tersebut dibentuk, perubahan subtrat asal respirasi menjasi CO2 dan H2O tidak lengkap. Biasanya hanya beberapa subtrat respirasi yang dioksidasi sempurn menjadi CO2 dan H2O ( proses kata bolisme ), sedangkan sisanya digunakan dalam proses sintesis ( anabolisme ) terutama dalam sel-sel yang sedang tumbuh. Energi yang di tangkap selama oksidasi dapat digunakan untuk sintesis molekul-molekul besar yang diperlukan untuk pertumbuhan. Pada waktu tumbuhan sedang tumbuh, laju respirasi meningkat karena diperlukan pertumbuhan, tetapi beberapa senyawa yang digunakan dipindahkan ke reaksi sintesis dan tidak pernah timbul sebagai CO2. Atom-atom karbo dalam senyawa yang direspirasi akan diubag menjadi CO2 atau suatu molekul besar seperti tersebut di atas bergantung pada macam sel yang terlibat, posisi sel dalam tumbhan dan kecepatan pertumbuhan tumbuhan itu.
1. Substrat untuk Respirasi
Subtrat untuk respirasi setiap bahan organik tumbuhan yang teroksidai sebagian (menjadi senyawa teroksidasi) atau teroksidasi sempurna (menjadi CO2 dan H2O) dalam metabolism repiratoris. Karbohidrat merupakan subtrat utama respirasi dalam sel-sel tumbuhan tinggi. Subtrat untuk respirasi yang paling penting di antara karbohidrat adalah sukrosa dan pati. Sukrosa ( suatu disakarida yang terdiri atas glukosa dan fruktosa ) dan pati (polimer dari glukosa) adalah bentuk karbohidrat yang disimpan dalam sel tumbuhan. Sukrosa, fruktosa, dan glukosa merupaka gula dapat larut utama dalam sel tumbuhan. Di dalam sel-sel tumbuhan perubahan antara glukosa, fruktosa, sukrosa dan pati dilakasanakan melalu transformasi yang dikatalisi enzim dari derivat-derivat karbohidrat terfosforilasi tersebut.
Gambar B.a.1. Dari keempat senyawa ini, glukosa biasanya dianggap sebagai titik awal untuk metabolism karbohidrat.
Dalam beberapa jaringan tumbuhan, selain karbohidrat, senyawa lain kadang-kadang dapat berperan sebagai subtrat respirasi. Biji-biji tertentu, misalnya biji jarak mengandung lemak sebagai bahan cadangan yang terdapat dalam jaringan endosperem yag mengelilingi embrio. Selama beberapa hari pertama perkecambahan , lemak-lemak diubah terutama menjadi sukrosa yang selajutnya diserap dan direspirasikan oleh embrio yang sedang tumbuh. Jadi metabolisme respirasi dalam endosperem dari biji-biji mengandung lemak yang sedang berkecambah itu terutama dari peguraian lemak menjadi CO2 dan H2O.
Pada keadan tertentu dalam bebrapa jaringan asam organik dapat digunakan sebagai subtrat untuk respirasi. Misalnya, asam organik berkabon-empat yaitu asam amalat ditambu dalam daun tumbuhan sukulen yang termasuk family Crassulaceae dan family lain selama malam hari. Asam glikolat, asam organic berkarbon-dua, juga digunakan sebagai subtract respirasi, asam glikolt dihasilkan dalam daun yang disinari sebagia besar tumbuhan tiggi.
Protein jarang direspirasi kecuali dalam keadaan tertentu. Dalam daun yang dipetik , misalnya penguraian protein berlangsung bersama-sama dengan penguraian karbohidrat. Protein juga berperan sebagai subtrat respirasi selama tahap awal perkecambahan biji yang mengandung protein sebagai cadangan makan.
2. Garis Besar Metabolisme dari Respirasi
Proses utama respirasi adalah mobilita senyawa organik dan oksidasi senyawa-senyawa tersebut secara terkendali untuk membebaskan energi dari bagi pemelihara dan perkembangan tumbuhan. Perhatikan reaksi keseluruhan dari oksidasi satu molekul heksosa berikut ini :
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energi
Reaksi respirasi (Oksidasi Biologis) suatu karbohidrat, misalnya glukosa berlangsung dalam empat tahapan yaitu :
I. Glikolisis, merupakan serangkaian reaksi yang menguraikan satu molekul glukosa menjadi dua molekul asam pirufat.
II. Dekarboksilasi oksidasi piruvat. Asam piruvat yaitu senyawa 3C diubah menjadi senyawa 2C (asetil-SKoA) denganmelepaskan CO2.
III. Daur sitrit. Senyawa 2C yang dihasilkan dari tahap Dekarboksilasi oksidasi piruvat diuraiakn menjadi CO2. Daur ini lebih dikenal dengan nama daur krebs. Daur ini juga dinamakan daur asam sitrat kareana senyawa C6 yang pertama kali dibentuk dalam daur ini adalah asam sitrat.
IV. Oksidasi terminal dalam rantai rspiratoris. Hydrogen yang dihasilkan oleh subtrat pada tahap Glikolisis hingga Daur sitrit akhirnya berkombinasi dengan air. Agar hal ini dapat berlangsung, terjadi suatu angkutan hidrogen sepanjang suatu rantai system redoks, yaitu melalaui suatu system angkutan/transport electron. Energy yang dibebaskan oleh angkutan electron ini digunakan untuk pembentukan ATP.
ATP Fruktosa-6-fosfat
ADP ADP
Glukosa 2
1 3
Glukosa-6-fosfat ATP
7 8 Fruktosa
Glokosa-1-fosfat
Pati 6
iP 5
UTP
PiP
UDPG 4
UDP
Sukrosa
Gambar B.a.1 : Gambaran secara diagram beberapa reaksi metabolik yang mengikut sertakan
Glukosa, fruktosa, sukrusa dan pati ; ditunjukan bahwa keempat senyawa
tersebut dapat saling dikoversikan dalam sel tumbuhan.
Keterangan :
iP asam fosfat ( H3PO4 )
PiP asam pirofosfat ( H4P2O7 )
UDP uridin difosfat
UTP uridin trifosfat
UDPG uridin difosfatglukosa
ADP adenosine difosfat
Enzim yang digunakan :
1. Glukokinase
2. Fosfoheksosa isomerase
3. Fruktokinase
4. UDPG-fruktosa-transglikosilase
5. UTP-glukos-1-fosfat-uridiltransferase
6. Pati fosforilase
7. Α-amilase, β-amilase dan maltase
8. Fosfoglukomut
3. Oksidase selain Sitokrom Oksidase
Oksidase adalah enzim yang mengkatalisis transfer elektron dari subtrat ke O2.
Sedangkan sitokrom oksidase adalah enzim mitokondria yang mengakhiri rantai respirator. Melalui sitokrom oksidase, electron dipindahan dari subtract respirasi tertentu (misalnnya NADH2) ke O2 yang tereduksi menjadi air. Selain sitokrom oksidase, oksidase juga berperan penting dalam pengambilan O2 oleh sel-sel tumbuhan. Berikut ini beberapa bentuk oksidase :
1) Asam glikolat oksidase
Peroksisom daun hijau mengandung oksidase yang mempunyai flavin yaitu asam
glikolat oksidase yang berfungsi untuk ereduksi O2 menjadi hydrogen peroksida (H2O2). H2O2 yang dihasilkan selanjutnya diuraikan oleh reaksi yang diktalisis oleh enzim katalase yang terdapat dalam semua sel tumbuhan menjadi H2O dan O2.
2H2O2 2H2O + O2
2) Flavin Oksidase
Oksidase mengandung flavi lain yang disebut flavin oksidase beberapa dalam penguraian
secara oksidase asam lemak dalam jaringan kecambahan tertentu. Enzim ini terdapat dalam organel disebut glioksisom. Koenzim untuk flavin oksidase adalah flavin-adenin dinukleotida. H2O2 yang dihasilkan oleh reaksi ini diuraiakan oleh katalase menjadi H2O dan O2.
3) Fenolase ( Difenol oksidae )
Perubahan warna menjadi coklat atau hitam yang terbentuk dalam beberapa jaringan tak
lama setelah kerusakan karena diiris, dipotong atau lainnya adalah hasil aktivitas oksidase yang mengandung tembaga yang disebut difenol oksidase atau fenoase. Contoh reaksi coklatnya jaringan anatara lain kulit dan daging buah pisang dan sayuran seperti ekntang, terong dan apel. Oksidase suatu o-dihidroksifenol ( misalnya asam klorogenat ) oleh O2 ( yaitu aktifitas fenolase ) menghasilkan o-kinon yang sesuai. Kinon ini sangat reaktif dan berkondensasi dengan asam amino dan protein yang terdapat dalam jaringan tumbuhan, menghsilkan polimer kompleks berwarna coklat.
4) Asam askorbat oksidase
Asam askorbat oksidase adalah enzim yang mengandung tembaga yang telah diekstraksi
dari beberapa jaringan tumbuhan. Didasarka dari sebuah penemuan bahwa suatu campuran yang mengandung asam askorbat, sistin, sediaan enzim asam askorbat oksidase, asam dehidroaskorbat dan sistin reduktase mampu mengoksidase NADH2.
5) IAA ( Asam Indol asetat) Oksidase
Jaringn tumbuhan mengandung enzim enzim yang mampu mengoksidasi IAA. Enzim ini
bukan suatu oksidase asli sebaliknya IAA oksidase termasuk kelompok enzim peroksidase. Peroksidase mengkatalisis oksidasi sebagai berikut :
AH2 + H2O2 A + 2H2O
4. Reaksi karboksilasi
Reaksi karboksilasi yang mengubah asam karbon-tiga dari jalur glikolisis menjadi asam
berkarbon-empat dari daur krebs merupakan reaksi anaplerotik yang penting. Satu jalur anaplerotik lain yang penting adalah daur glioksilat satu daur yang mampu mengubah satu molekul sitrat dan asatu molekul asetil-KoA menjadi dua molekul oksaloasetat. Tetapi, karboksilsi ini mempunyai sejumlah fungsi lain dalam tumbuhan termasuk sinstesis senyawa antara dalam jaringan embrio atau jaringan yang tidak mempunyai mekanisme dalam menambat/mengikat CO2 untuk fotosintesis.
5. Kontrol dari Respirasi
Respirasi adalah suatu proses eksergonik (eksotermik) yaitu melepaskan energi. Jadi jika tidak dikontrol, respirasi akan berjalan dengan kecepatan tinggi secara berkesinambungan hingga semua persedian subtract habis. Sebenarnya sejumlah pengontrolan berkerja pada berbagai fase metabolisme sel. Dibawah ini terdapal beberapa kontrol dari respirasi :
1) Efek Pasteur
Metabolisme ragi dapat dipengaruhi olek oksigen ; oksigen rendah fermentasi sedangkan oksigen tinggi menghambat fermentasi dan memacu respirasi oksidasi dan juga meningkatkan penggunaan karbon dari gula untuk reaksi sintesis. Oksigen berperan dalam pengaturan ratio ATP/ADP. Jika oksigen tidak terdapat, metabolism tidak dapat berlangsung dan jalur utama sintesis ATP berhenti. Metabolisme sel akan dilanjutkan dengan menggunakan ATP yang masih ada dan sejumlah ADP dan iP dihasilkan yang meransang fermentasi. Jika oksigen tidak ada, daur krebs tidak dapat berlangsung sehingga senyawa antara daur krebs tidak tersedia untuk reaksi sintesis. Piruvat juga tidak terdapat karena piruvat direduksi menjadi laktat atau etanol yang diperlukan untuk reoksidasi NADH2. Selain itu, bannyak reaksi sintesis yang menggunakan senyawa antara memerlukan metabolism oksidasi. Karena itu pada kondisi anaerob sedikit atau tidak ada karbon gula yang dialihkan ke sintesi seluler, sedangkan adanya oksigen memungkinkan terjadinya reaksi tersebut.
2) Kontrol umpan balik dan alosterik
Efek alosterik terjadi jika suatu molekul kecil yang sering tidak berkaitan langsung
dengan reaksi akan meningkatkan atau menghambat reaksi enzim yang khas dengan berkombinasi dengan tempat sekunder atau alosterik dari enzim. Mekanisme umpan balik melibatkan penghambatan atau pemacu (jarang terjadi) suatu atau reaksi oleh satu hasil akhirnya yang sering merupakan hasil efek alosterik. Biasanya reaksi permulaan dan belakangan dalam satu jalur metabolism sangat eksotermik, artinya reaksi-reaksi itu mempunyai perubahan energi bebas yang sangat negatif dan karena itu hampir tidak dapat dibalik. Ini mencegah penimbunan subtrat atau senyawa antara dan enzim-enzim yang dimaksud disebut pemacu gerak (pacemakers). Pemacu gerak merupakan tempat yang jelas memerlukan pengaturan, seperti halnya enzim-enzi yang menengahi reaksi pada tempat percabangan utama dalam suatau rantai metabolisme.
3) Kontrol kofaktor
Reaksi-reaksi respirasi yang penting dikontrol oleh prekursor-hasil melalui perbandingan
NADH2/NAD dan ATP/ADP. Glikolisis dan fermentasi diatur oleh keperluan sel akan ATP dan NADH2. Reaksi-reaksi reduksi dari fermentasi (piruvat laktat etanol ) diatur oleh keperluan mutlak akan NAD yang tidak dapat dibentuk dari NADH2 melalui rantai angkutan elektron tanpa adanya oksigen.
4) Reaksi-reaksi cabang
Laju respirasi dipengaruhi oleh keperluan sel akan senyawa-aenyawa antara sintesis.
Penggunaan senyawa antara akan mempengaruhi reaksi respirasi yang membentuknya dan meningkatkan laju kesluruhan respirasi. Karena metabolisme selanjutnya dari senyawa antara yang diambil tersebut juga memerlukan ATP atau kofaktor tereduksi (misalnya sintesis asam amaino dan protein) maka peningkatan lebih lanjut dari laju respirasi akan terjadi.
6. Faktor-faktor yang mempengaruhi respirasi
a. Subtrat
Respirasi bergantung pada tersedianya subtrat, dan tumbuhan dengan pesediaan pati,
fruktan dan gula yang rendah, laju respirasinya juga rendah. Tumbuhan yang kekeurangan gula, jika diberi gula sering nyatanya menunjukan kenaikan respirasi. Daun-daun yang terlindung dan yang terdapat di bagian yang lebih bawah biasanya respirasinya lebih rendah dari pada daun yang terdapat di bagian lebih atas yang terdedah pada tingkat cahaya lebih tinggi. Jika kekurangan bahan untuk respirasi sangat ekstensif maka protein pun dapat dioksidasi.
b. Suhu
Respirasi seperti juga proses-proses reaksi ezimatis yang lain dipengaruhi oleh suhu.
Didalam batas-batas tertentu laju reaksi enzim kira-kira meningkat dua kali untuk setiap kenaikan suhu 100C. Pada waktu suhu naik di atas350C trjadi penurunan respirasi karena enzim-enzim yang diperlukan mulai mengalami denaturasi.
c. Oksigen
Suplai O2 mempengaruhi respirasi, tetap pengaruhnya sangat berbeda untuk spesies
tumbuhan yang berbeda dan malahan berbeda untuk organ-organ yang berbeda dalam tumbuhan yang sama. Dalam jaringan yang lebih tebal dengan perbadingan permukaan/volume rendah, difungsi O2 dari udara ke sitokrom oksidase dalam sel-sel di sebelah dalam diperlambat sehingga laju respirasi rendah.
d. Umur dan tipe jaringan
Respirasi jarigan muda lebih tiggi dari jaringan muda lebih tinggi jaringan tua, jaringan
yang berkembang melakukan respirasi lebih tinggi dari jaringan dewasa. Misalnya laju respirasi kecambah biasanya meningkat cepat selama perkecambahan hingga mencapai suatu puncak pada periode pertumbuhan kecambah yang paling cepat kemudian menurun setelah jaringan dewasa.
e. Karbon dioksida
Sebagai hasil akhir reaksi, konsentrasi yang tinggi dari karbon dioksida diperkirakan akan
menghambat respirasi. Konsentrasi karbon dioksida yang tinggi menyebabkan stomata menutup. Karbon dioksida berpengaruh menghambat pada suksinat dehidrogenase tetapi ini hanya akan mempengaruhi respirasi aerop yang mungkin tidak begitu penting pada awal perkecambahan.
f. Garam-garam
Jika akar menyerap garam, laju respirasi meningkat. Hal ini dikaitkan dengan energi
yang dikeluarkan pada saat garam/ion diserap. Fenomena ini disebut respirasi garam.
g. Luka dan stimulasi
Stimulasi mekanis pada jaringan daun menyebabkan respirasi naik untuk sementara,
biasanya beberapa menit hingga satu jam.
b) Sistem Pernapasan pada Hewan
Alat respirasi adalah alat atau bagian tubuh tempat O2 dapat berdifusi masuk dan sebaliknya CO2 dapat berdifusi keluar. Alat respirasi pada hewan bervariasi antara hewan yang satu dengan hewan yang lain, ada yang berupa paru-paru, insang, kulit, trakea, dan paru-paru buku, bahkan ada beberapa organisme yang belum mempunyai alat khusus sehingga oksigen berdifusi langsung dari lingkungan ke dalam tubuh, contohnya pada hewan bersel satu, porifera, dan coelenterata. Pada ketiga hewan ini oksigen berdifusi dari lingkungan melalui rongga tubuh.
1) Sistem Penapasan pada vertebrata
1. Burung
Burung mempunyai saluran pernapasan yang terdiri atas lubang hidung, trakea, bronkus dan paru-paru. Pada bagian bawah trakea terdapat alat suara disebut siring. Burung mempunyai alat bantu pernapasan yang disebut pundi-pundi udara yang berhubungan dengan paru-paru. Fungsi pundi-pundi udara antara lain menyimpan udara, mempermudah burung terbang, memperkecil berat jenis ketika terbang, mengurangi kehilangan panas tubuh yang berlebihan, dan untuk membantu pernapasan dan membantu membesarkan rongga siring sehingga dapat memperkeras suara. Proses pernapasan pada burung terjadi sebagai berikut. Jika otot tulang rusuk berkontaksi, tulang rusuk bergerak ke arah depan dan tulang dada bergerak ke bawah. Rongga dada menjadi besar dan tekanannya menurun. Hal ini menyebabkan udara masuk ke dalam paru-paru dan selanjutnya masuk ke dalam pundi-pundi udara.
Jalur pernapasan pada burung berawal di lubang hidung. Pada tempat ini, udara masuk kemudian diteruskan pada celah tekak yang terdapat pada dasar faring yang menghubungkan trakea. Trakeanya panjang berupa pipa bertulang rawan yang berbentuk cincin, dan bagian akhir trakea bercabang menjadi dua bagian, yaitu bronkus kanan dan bronkus kiri. Dalam bronkus pada pangkal trakea terdapat sirink yang pada bagian dalamnya terdapat lipatan-lipatan berupa selaput yang dapat bergetar. Bergetarnya selaput itu menimbulkan suara. Bronkus bercabang lagi menjadi mesobronkus yang merupakan bronkus sekunder dan dapat dibedakan menjadi ventrobronkus (di bagian ventral) dan dorsobronkus ( di bagian dorsal). Ventrobronkus dihubungkan dengan dorsobronkus, oleh banyak parabronkus (100 atau lebih). Parabronkus berupa tabung tabung kecil. Di parabronkus bermuara banyak kapiler sehingga memungkinkan udara berdifusi. Selain paru-paru, burung memiliki 8 atau 9 perluasan paru-paru atau pundi-pundi hawa (sakus pneumatikus) yang menyebar sampai ke perut, leher, dan sayap. Pundi-pundi hawa berhubungan dengan paru-paru dan berselaput tipis. Di pundi-pundi hawa tidak terjadi difusi gas pernapasan; pundi-pundi hawa hanya berfungsi sebagai penyimpan cadangan oksigen dan meringankan tubuh. Karena adanya pundi-pundi hawa maka pernapasan pada burung menjadi efisien. Pundi-pundi hawa terdapat di pangkal leher (servikal), ruang dada bagian depan (toraks anterior), antara tulang selangka (korakoid), ruang dada bagian belakang (toraks posterior), dan di rongga perut (kantong udara abdominal).
Pada waktu otot tulang rusuk mengendur, tulang rusak bergerak ke arah belakang dan tulang dada bergerak ke arah atas. Rongga dada mengecil dan tekanannya menjadi besar, mengakibatkan udara keluar dari paru-paru. Demikian juga udara dari pundi-pundi udara keluar melalui paru-paru. Pengambilan oksigen oleh paru-paru terjadi pada waktu inspirasi dan ekspirasi. Pertukaran gas hanya terjadi di dalam paru-paru. Pada burung, tempat berdifusinya gas pernapasan hanya terjadi di paru-paru. Paru-paru burung berjumlah sepasang dan terletak dalam rongga dada yang dilindungi oleh tulang rusuk.
Masuknya udara yang kaya oksigen ke paru-paru (inspirasi) disebabkan adanya kontraksi otot antartulang rusuk (interkostal) sehingga tulang rusuk bergerak keluar dan tulang dada bergerak ke bawah. Atau dengan kata lain, burung mengisap udara dengan cara memperbesar rongga dadanya sehingga tekanan udara di dalam rongga dada menjadi kecil yang mengakibatkan masuknya udara luar. Udara luar yang masuk sebagian kecil tinggal di paru-paru dan sebagian besar akan diteruskan ke pundi- pundi hawa sebagai cadangan udara.
Udara pada pundi-pundi hawa dimanfaatkan hanya pada saat udara (O2) di paru-paru berkurang, yakni saat burung sedang mengepakkan sayapnya. Saat sayap mengepak atau diangkat ke atas maka kantung hawa di tulang korakoid terjepit sehingga oksigen pada tempat itu masuk ke paru-paru. Sebaliknya, ekspirasi terjadi apabila otot interkostal relaksasi maka tulang rusuk dan tulang dada kembali ke posisi semula, sehingga rongga dada mengecil dan tekanan menjadi lebih besar dari tekanan di udara luar akibatnya udara dari paru-paru yang kaya karbon dioksida keluar. Bersamaan dengan mengecilnya rongga dada, udara dari kantung hawa masuk ke paru-paru dan terjadi pelepasan oksigen dalam pembuluh kapiler di paru-paru. Jadi, pelepasan oksigen di paru-paru dapat terjadi pada saat ekspirasi maupun inspirasi.
Burung mengisap udara udara mengalir lewat bronkus ke pundi-pundi hawa bagian belakang bersamaan dengan itu udara yang sudah ada di paru-paru mengalir ke pundi-pundi hawa udara di pundi-pundi belakang mengalir ke paru-paru udara menuju pundi-pundi hawa depan. Kecepatan respirasi pada berbagai hewan berbeda bergantung dari berbagai hal, antara lain, aktifitas, kesehatan, dan bobot tubuh.
2. Reptil
Reptil bernapas dengan paru-paru. Contohnya buaya, kadal, ular, kura-kura, komodo dan cicak. Pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida terjadi di dalam paru-paru. Keluar masuknya udara dari dan keluar paru-paru karena adanya gerakan-gerakan dari tulang rusuk. Saluran pernapasan terdiri dari lubang hidung.
Secara umum reptilia bernapas menggunakan paru-paru. Tetapi pada beberapa reptilia, pengambilan oksigen dibantu oleh lapisan kulit disekitar kloaka. Pada reptilia umumnya udara luar masuk melalui lubang hidung, trakea, bronkus, dan akhirnya ke paru-paru. Lubang hidung terdapat di ujung kepala atau moncong. Udara keluar dan masuk ke dalam paru-paru karena gerakan tulang rusuk. Sistem pernafasan pada reptilia lebih maju dari Amphibi. Dinding laring dibentuk oleh tulang rawan kriterokoidea dan tulang rawan krikodea. Trakhea dan bronkhus berbentuk panjang dan dibentuk oleh cincin-cincin tulang rawan. Tempat percabangan trakhea menjadi bronkhus disebut bifurkatio trakhea. Bronkhus masuk ke dalam paru-paru dan tidak bercabang-cabang lagi. Paru-paru reptilia berukuran relatif besar, berjumlah sepasang. Struktur dalamnya berpetak-petak seperti rumah lebah, biasanya bagian anterior lebih banyak berpetak daripada bagian posterior. Larinx terletak di ujung anterior trachea. Dinding larinx ini disokong oleh cartilago cricoida dan cartilago anytenoidea. Kearah posterior trachea membentuk percabangan (bifurcatio) menjadi bronkhus kanan dan bronkhus kiri, yang masing-masing menuju ke pulmo kanan dan pulmo kiri. Pulmo lacertilia dan ophidia ialah relatif sederhana. Pada beberapa bentuk, bagian internal pulma terbagi tidak sempurna menjadi dua bagian, ialah bagian anterior berdinding saccuter sedang bagian posterior berdinding licin, tidak vasculer dan berfungsi terutama untuk reservoir. Paru-paru reptilia berada dalam rongga dada dan dilindungi oleh tulang rusuk. Paru-paru reptilia lebih sederhana, hanya dengan beberapa lipatan dinding yang berfungsi memperbesar permukaan pertukaran gas. Pada reptilia pertukaran gas tidak efektif. Pada kadal, kura-kura, dan buaya paru-paru lebih kompleks, dengan beberapa belahan - belahan yang membuat paru-parunya bertekstur seperti spon. Paru-paru pada beberapa jenis kadal misalnya bunglon Afrika mempunyai pundi-pundi hawa cadangan yang memungkinkan hewan tersebut melayang di udara.
o Paru - paru reptilian
Reptil bernapas dengan paru-paru. Pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida terjadi di dalam paru-paru. Keluar masuknya udara dari dan keluar paru-paru karena adanya gerakan-gerakan dari tulang rusuk. Saluran pernapasan terdiri dari lubang hidung, trakea, bronkus dan paru-paru.
3. Katak
Pada katak, oksigen berdifusi lewat selaput rongga mulut, kulit, dan paru-paru. Kecuali pada fase berudu bernapas dengan insang karena hidupnya di air. Katak dalam daur hidupnya mengalami metamorfosis atau perubahan bentuk. Pada waktu muda berupa berudu dan setelah dewasa hidup di darat. Mula-mula berudu bernapas dengan insang luar yang terdapat di bagian belakang kepala. Insang tersebut selalu bergetar yang mengakibatkan air di sekitar insang selalu berganti. Oksigen yang terlarut dalam air berdifusi di dalam pembuluh kapiler darah yang terdapat dalam insang.
Setelah beberapa waktu insang luar ini akan berubah menjadi insang dalam dengan cara terbentuknya lipatan kulit dari arah depan ke belakang sehingga menutupi insang luar. Katak dewasa hidup di darat, pernapasannya dengan paru-paru. Selain dengan paru-paru, oksigen dapat berdifusi dalam rongga mulut yaitu melalui selaput rongga mulut dan juga melalui kulit.
Selaput rongga mulut dapat berfungsi sebagai alat pernapasan karna tipis dan banyak terdapat kapiler yang bermuara di tempat itu. Pada saat terjadi gerakan rongga mulut dan faring, lubang hidung terbuka dan glotis tertutup sehingga udara berada di rongga mulut dan berdifusi masuk melalui selaput rongga mulut yang tipis. Selain bernapas dengan selaput rongga mulut, katak bernapas pula dengan kulit, ini dimungkinkan karma kulitnya selalu dalam keadaan basah dan mengandung banyak kapiler sehingga gas pernapasan mudah berdifusi. Oksigen yang masuk lewat kulit akan melewati vena kulit (vena kutanea) kemudian dibawa ke jantung untuk diedarkan ke seluruh tubuh. Sebaliknya karbon dioksida dari jaringan akan di bawa ke jantung, dari jantung dipompa ke kulit dan paru-paru lewat arteri kulit pare-paru (arteri pulmo kutanea). Dengan demikian pertukaran oksigen dan karbon dioksida dapat terjadi di kulit.
Selain bernapas dengan selaput rongga mulut dan kulit, katak bernapas juga dengan paru-paru walaupun paru-parunya belum sebaik paru-paru mamalia.
Katak mempunyai sepasang paru-paru yang berbentuk gelembung tempat bermuaranya kapiler darah. Permukaan paru-paru diperbesar oleh adanya bentuk- bentuk seperti kantung sehingga gas pernapasan dapat berdifusi. Paru-paru dengan rongga mulut dihubungkan oleh bronkus yang pendek.
Gambar : alat pernafasan katak
Gambar : Mekanisme pernafasan katak Dalam paru-paru terjadi mekanisme inspirasi dan ekspirasi yang keduanya terjadi saat mulut tertutup. Fase inspirasi adalah saat udara (kaya oksigen) yang masuk lewat selaput rongga mulut dan kulit berdifusi pada gelembung-gelembung di paru-paru. Mekanisme inspirasi adalah sebagai berikut. Otot Sternohioideus berkonstraksi sehingga rongga mulut membesar, akibatnya oksigen masuk melalui koane.
Setelah itu koane menutup dan otot rahang bawah dan otot geniohioideus berkontraksi sehingga rongga mulut mengecil. Mengecilnya rongga mulut mendorong oksigen masuk ke paru-paru lewat celah-celah. Dalam paru-paru terjadi pertukaran gas, oksigen diikat oleh darah yang berada dalam kapiler dinding paru-paru dan sebaliknya, karbon dioksida dilepaskan ke lingkungan. Mekanisme ekspirasi adalah sebagai berikut. Otot-otot perut dan sternohioideus berkontraksi sehingga udara dalam paru-paru tertekan keluar dan masuk ke dalam rongga mulut. Celah tekak menutup dan sebaliknya koane membuka. Bersamaan dengan itu, otot rahang bawah berkontraksi yang juga diikuti dengan berkontraksinya geniohioideus sehingga rongga mulut mengecil. Dengan mengecilnya rongga mulut maka udara yang kaya karbon dioksida keluar.
4. Ikan
Ikan hidup di air rawa, sungai, laut, kolam, danau. Ikan bernafas dengan insang. Pernafasan ikan berlangsung 2 tahap :
Tahap I (Tahap Pemasukan) :
Pada tahap ini mulut ikan membuka dan tutup insang menutup sehingga air masuk rongga mulut, kemudian menuju lembaran insang, disinilah oksigen yang larut dalam air diambil oleh darah, selain itu darah juga melepaskan karbondioksida dan uap air.
Tahap II (Tahap Pengeluaran) :
Mulut menutup dan tutup insang membuka sehingga air dari rongga mulut mengalir keluar melalui insang. Air yang dikeluarkan ini telah bercampur dengan CO2 dan uap air yang dilepaskan darah.
Untuk ikan yang hidup di lumpur seperti ikan lele, gabus, betok, pada insangnya terdapat banyak lipatan yang disebut Labirin.
Ikan juga mempuyai gelembung renang yang berfungsi untuk :
a. Menyimpan oksigen
b. Membantu gerakan ikan naik turun
Ikan mas bernapas dengan insang yang terdapat pada sisi kiri dan kanan kepala. Masing-masing mempunyai empat buah insang yang ditutup oleh tutup insang (operkulum). Proses pernapasan pada ikan adalah dengan cara membuka dan menutup mulut secara bergantian dengan membuka dan menutup tutup insang. Pada waktu mulut membuka, air masuk ke dalam rongga mulut sedangkan tutup insang menutup. Oksigen yang terlarut dalam air masuk berdifusi ke dalam pembuluh kapiler darah yang terdapat dalam insang dan pada waktu menutup, tutup insang membuka dan air dari rongga mulut keluar melalui insang. Bersamaan dengan keluarnya air melalui insang, karbondioksida dikeluarkan.
5. Mamalia
Mamalia disebut juga hewan menyusui karena hewan betina dari kelompok ini menyusui anaknya, contohnya kambing, sapi,kerbau, kuda, kucing, tikus. Hewan mamalia yang hidup di air adalah ikan paus dan lumba-lumba. Hewan mamalia bernafas dengan paru-paru.
2) Sistem Pernapasan pada Hewan Invertebrata
1. Cacing Tanah
Cacing tanah tidak mempunyai alat pernapasan khusus. Kulitnya banyak mengandung kelenjar lendir. Dengan adanya lendir, kulit cacing selalu dalam keadaan basah dan licin. Melalui kulit yang basah ini, cacing menyerap oksigen serta mengeluarkan karbondioksida dan uap air secara difusi. Pengeluaran karbon dioksida juga melalu permukaan tubuh.
2. Protozoa (Hewan Bersel Satu)
Hewan bersel satu hanya mempunyai satu sel, oleh karena itu seluruh proses kehidupan dilakukan di dalam sel tersebut. Hewan bersel satu sangat kecil, hanya dapat dilihat dengan mikroskop. Hewan ini hidup di tempat-tempat berair, misal danau, sungai, laut, tanah basah.
Hewan bersel satu bernapas melalui seluruh permukaan tubuhnya. Pada saat hewan ini bernafas, oksigen (O2) masuk dan karbondioksida (CO2) keluar melalui permukaan tubuh secara difusi, yaitu O2 masuk dan CO2 keluar dengan cara menembus dinding sel yang tipis. Contoh hewan bersel satu adalah Amuba, Euglena dan ParamaeciumProtozoa tidak mempunyai alat pernapasan khusus untuk memperoleh oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Oksigen masuk ke dalam sel malalui selaput plasma secara difusi. Demikian juga karbondioksida dari dalam sel dikeluarkan melalui selaput plasma.
3. Insekta (seranggga)
Corong hawa (trakea) adalah alat pernapasan yang dimiliki oleh serangga dan arthropoda lainnya. Pembuluh trakea bermuara pada lubang kecil yang ada di kerangka luar (eksoskeleton) yang disebut spirakel. Spirakel berbentuk pembuluh silindris yang berlapis zat kitin, dan terletak berpasangan pada setiap segmen tubuh. Spirakel mempunyai katup yang dikontrol oleh otot sehingga membuka dan menutupnya spirakel terjadi secara teratur. Pada umumnya spirakel terbuka selama serangga terbang, dan tertutup saat serangga beristirahat.Sistem respirasi serangga berupa sistem pernafasan trakea. Alat pernafasan berupa pembuluh trakea. Udara keluar masuk melalui spirakel yang terdapat pada setiap sisi ruas tubuh serangga. Aliran udara pernafasan : oksigen masuk melalui spirakel menuju trakea. Selanjutnya menuju trakeolus dan terjadi pertukaran gas dengan sel tubuh. Mekanisme pernafasan : bila otot perut berkontraksi, trakea memipih sehingga udara kaya CO2 dari dalam tubuh keluar. Bila otot perut relaksasi, trakea ke posisi semula dan udara luar kaya O2 akan masuk melalui spirakel. Oksigen dari luar masuk lewat spirakel. Kemudian udara dari spirakel menuju pembuluh-pembuluh trakea dan selanjutnya pembuluh trakea bercabang lagi menjadi cabang halus yang disebut trakeolus sehingga dapat mencapai seluruh jaringan dan alat tubuh bagian dalam. Trakeolus tidak berlapis kitin, berisi cairan, dan dibentuk oleh sel yang disebut trakeoblas. Pertukaran gas terjadi antara trakeolus dengan sel-sel tubuh. Trakeolus ini mempunyai fungsi yang sama dengan kapiler pada sistem pengangkutan (transportasi) pada vertebrata.
Mekanisme pernapasan pada serangga, misalnya belalang, adalah sebagai berikut :
Jika otot perut belalang berkontraksi maka trakea mexrupih sehingga udara kaya CO2 keluar. Sebaliknya, jika otot perut belalang berelaksasi maka trakea kembali pada volume semula sehingga tekanan udara menjadi lebih kecil dibandingkan tekanan di luar sebagai akibatnya udara di luar yang kaya O2 masuk ke trakea.
Sistem trakea berfungsi mengangkut O2 dan mengedarkannya ke seluruh tubuh, dan sebaliknya mengangkut CO2 basil respirasi untuk dikeluarkan dari tubuh. Dengan demikian, darah pada serangga hanya berfungsi mengangkut sari makanan dan bukan untuk mengangkut gas pernapasan.
Di bagian ujung trakeolus terdapat cairan sehingga udara mudah berdifusi ke jaringan. Pada serangga air seperti jentik nyamuk udara diperoleh dengan menjulurkan tabung pernapasan ke permukaan air untuk mengambil udara.
Serangga air tertentu mempunyai gelembung udara sehingga dapat menyelam di air dalam waktu lama. Misalnya, kepik Notonecta sp. mempunyai gelembung udara di organ yang menyerupai rambut pada permukaan ventral. Selama menyelam, O2 dalam gelembung dipindahkan melalui sistem trakea ke sel-sel pernapasan.
Selain itu, ada pula serangga yang mempunyai insang trakea yang berfungsi menyerap udara dari air, atau pengambilan udara melalui cabang-cabang halus serupa insang. Selanjutnya dari cabang halus ini oksigen diedarkan melalui pembuluh trakea.
4. Coelenterate
Coelenterata tersusun dari dari dua lapisan sel, yaitu lapisan luar berasal dari ektoderm dan lapisan dalam berasal dari endoderm. Lapisan sel yang berasal dari ektoderm disebut epidermis dan lapisan yang berasal dari endoderm disebut gastrodermis. Pertukaran gas terjadi secara difusi pada sel di luar permukaan tubuh yang bersentuhan dengan air. Untuk respirasi, coelenterata mempunyai alat bantu berupa lekukan jaringan yang terdapat pada gastrodermis, disebut sifonoglia.
5. Porifera
Porifera bernapas dengan cara memasukkan air melalui pori-pori (ostium) yang terdapat pada seluruh permukaan tubuhnya, masuk ke dalam rongga spongocoel. Proses pernapasan selanjutnya dilakukan oleh sel leher (koanosit), yaitu sel yang berbatasan langsung dengan rongga spongocoel.
6. Mollusca
Hewan bertubuh lunak (Mollusca) yang hidup di air, seperti siput, cumi-cumi, dan kerang (Bivalvia) bernapas menggunakan insang. Perhatikan Gambar 7.12. Aliran air masuk ke dalam insang dan terjadi pertukaran udara dalam lamela insang.
Respirasi adalah suatu proses pengambilan O2 untuk memecah senyawa-senyawa organik menjadi CO2, H2O dan energi. Namun demikian respirasi pada hakikatnya adalah reaksi redoks, dimana substrat dioksidasi menjadi CO2 sedangkan O2 yang diserap sebagai oksidator mengalami reduksi menjadi H2O, yang disebut substrat respirasi adalah setiap senyawa organik yang dioksidasikan dalam respirasi atau senyawa-senyawa yang terdapat dalam sel tumbuhan yang secara relatif banyak jumlahnya dan biasanya direspirasikan menjadi CO2 dan H2O. Sedangkan metabolit respirasi adalah intermediat-intermediat yang terbentuk dalam reaksi-reaksi respirasi.
B. Respirasi pada Tumbuhan dan Hewan
a) Sistem Pernapasan pada Tumbuhan
Sebagaimana kita ketahui dalam semua aktivitas makhluk hidup memerlukan energi begitu juga dengan tumbuhan. Respirasi terjadi pada seluruh bagian tubuh tumbuhan, pada tumbuhan tingkat tinggi respirasi terjadi baik pada akar, batang maupun daun dan secara kimia pada respirasi aerobik pada karbohidrat (glukosa) adalah kebalikan fotosintesis. Pada respirasi pembakaran glukosa oleh oksigen akan menghasilkan energi karena semua bagian tumbuhan tersusun atas jaringan dan jaringan tersusun atas sel, maka respirasi terjadi pada sel (Campbell, 2002).
Pada reaksi respirasi glukosa, dapat dituliskansebagai berikut :
C6H12O6 6CO2 + 6H2O + Energi
Tumbuhan hijau bernapas dengan mengambil oksigen dari lingkungan, tidak semua tumbuhan bernapas dengan menggunakan oksigen. Tumbuhan tak berklorofil benapas tanpa memerlukan oksigen. Tujuan proses pernapasan yaitu untuk memperoleh energi. Pada peristiwa bernapas terjadi pelepasan energi. Tumbuhan yang bernapas secara anaeraob mendapatkan energi dengan car menguraikan bahan – bahan tertentu dimana mereka hidup. Dalam proses pernapasan aerob / anaerab akan dihasilkan gas karbon dioksida dan uap air. Gas dan uap air tersebut dikeluarkan dari tubuh. Oksigen diperlukan dan karbon dioksida yang dihasilkan masuk dan keluar dari tubuh secara difusi. Gas – gas tersebut masuk dan keluar melalui stomata yang ada pada permukaan daun dan inti sel yang ditemukan pada kulit batang pegangan. Akar yang berada dalam tanah juga dapat melakukan proses keluar msuknya gas. Tumbuhan yang hidup di daerah rawa/berlumpur mempunyai akar yang mencuat keluar deari tanah. Akar ini disebut akar panas. Kandungan katalis disebut juga enzim, enzim sangat penting untuk siklus reaksi respirasi (sebaik-baiknya proses respirasi). Beberapa reaksi kimia membolehkan mencampur dengan fungsi dari enzim atau mengkombinasikan sisi aktifnya. Penggunaan ini akan dapat dilihat hasilnya pada inhibitor dari aktivitas enzim (Kimball, 1983).
Mahluk hidup memerlukan respirasi untuk mempertahankan hidupnya, begitu pula pada tumbuhan. Respirasi pada tumbuhan menyangkut proses pembebasan energi kimiawi menjadi energi yang diperlukan untuk aktivitas hidup tumbuhan. Pada siang hari, laju proses fotosintesis yang dilakukan tumbuhan sepuluh kali lebih besar dari laju respirasi. Hal itu menyebabkan seluruh karbondioksida yang dihasilkan dari respirasi akan digunakan untuk melakukan proses fotosintesis. Respirasi yang dilakukan tumbuhan menggunakan sebagian oksigen yang dihasilkan dari proses fotosintesis, sisanya akan berdifusi ke udara melalui daun. Reaksi penguraian glukosa sampai menjadi H2O, CO2 dan energi melalui tiga tahap, yaitu glikolisis, daur Krebs, dan transpor elektron respirasi.
Glikolisis merupakan peristiwa perubahan glukosa menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NADH yang berfungsi sebagai sumber elektron berenergi tinggi dan 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa. Daur Krebs (daur trikarboksilat) atau daur asam sitrat merupakan penguraian asam piruvat secara aerob menjadi CO2 dan H2O serta energi kimia. Reaksi ini terjadi disertai dengan rantai transportasi elektron respiratori. Produk sampingan respirasi tersebut pada akhirnya dibuang ke luar tubuh melalui stomata pada tumbuhan. Respirasi banyak memberikan manfaat bagi tumbuhan. Proses respirasi ini menghasilkan senyawa-senyawa yang penting sebagai pembentuk tubuh. Senyawa-senyawa tersebut meliputi asam amino untuk protein, nukleotida untuk asam nukleat, dan karbon untuk pigmen profirin (seperti klorofil dan sitokrom), lemak, sterol, karotenoid, pigmen flavonoid seperti antosianin, dan senyawa aromatik tertentu lainnya, seperti lignin. Sedangkan energi yang ditangkap dari proses oksidasi dalam proses respirasi dapat digunakan untuk mensintesis molekul lain yang dibutuhkan untuk pertumbuhan.
Pernafasan pada tumbuhan tingkat tinggi berlangsung secara aerob, pada pernafasan ini terjadi proses pembebasan energi dari sari makanan di dalam sel tubuh melalui proses oksidasi biologis, Oksidasi biologis adalah suatu reaksi antara sari makanan dengan oksigen yang menghasilkan karbon dioksida (CO2), air (H2O) dan energi. Reaksikiia ini merupakan reaksi enzimatis, enzim berperan sebagai katalisator (pemercepat proses reaksi).
Energi yang dihasilkan dari pernapasan digunakan oleh tumbuhan untuk melakukan berbagai kegiatan hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan dan melakukan kegiatan didalam hidupnya misalnya untuk pertumbuhan pembentukan protein, mengangkut mineral didalam tanah melakukan kembang biak serta melakukan proses fotosintesis.
Respirasi pada tumbuhan dapat dibedakan menjadi dua yaitu aerob dan anaerob, pernafasan aerob memerlukan oksigen O2, sedangkan pernafasan anaerob tiidak memerlukan oksigen, untuk pernafasan anaerob dibedakan menjadi obligatif dan fakultatif, pernafasan anaerob obligatif mutlak memerlukan oksigen sedangkan anaerob fakultatif dapat berlangsung tanpa atau dengan oksigen.
1. Pernafasan tumbuhan tingkat tinggi
Pernafasan pada tumbuhan tingkat tinggi berlangsung secara aerob. Pada pernapasan ini terjadi proses pembebasan energi dari sari makanan di dalam sel tubuh melalui proses oksidasi biologis, Oksidasi biologis adalah suatu reaksi antara sari makanan dengan oksigen yang menghasilkan karbon dioksida (CO2), air (H2O) dan energi. Reaksikiia ini merupakan reaksi enzimatis, enzim berperan sebagai katalisator ( pemercepat proses reaksi ).
Energi yang dihasilkan dari Respirasi digunakan oleh tumbuhan untuk melakukan berbagai kegiatan hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan dan melakukan kegiatan di dalam hidupnya, misalnya untuk pertumbuhan, pembentukan protein mengangkut mineral dari dalam tanah, berkembang biak, serta melakukan proses fotosintesis.
2. Pernafasan pada tumbuhan tingkat rendah
Pernafasan pada tumbuhan tingkat rendah ada yang aaerob dan ada yang anaerob. Pernafasan anaerob disebut juga dengan fermentasi ( proses pengubahan senyawa utama menjadi senyawa bentuk lain dengan bantuan enzim) , misalnya proses pembentukan alkohol dari glukosa denganbantuan jamur ragi ( Saccharomyces ).
Ditinjau dari kebutuhannya akan oksigen, respirasi dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu :
a. Respirasi Aerobik (Aerob)
Respirasi aerob yaitu respirasi yang menggunakan oksigen oksigen bebas untuk mendapatkan energi. Persamaan reaksi proses respirasi aerob secara sederhana dapat dituliskan : C6H12O6 + 6H2O –>>6H2O + 6CO2 + 675 kal. Dalam kenyataan reaksi yang terjadi tidak sesederhana itu banyak tahapan yang terjadi dari awal hingga terbentuknya energi. Reaksi-reaksi itu dapat dibedakan menjadi 3 tahapan yaitu glikolosis, siklus krebs dan transport elektron (syamsuri, 1980).
1) Glikolisis
Kata “glikolisis” berarti “menguraikan gula” dan itulah yang tepatnya terjadi selama jalur ini. Glukosa, gula berkarbon enam, diuraikan menjadi dua gula berkarbon tiga. Gula yang lebih kecil ini kemudian dioksidasi, dan atom sisanya disusun ulang untuk membuat dua molekul piruvat (Champbell, 2002) NADH merupakan sumber elektron berenergi tinggi, sedangkan ATP adalah persenyawaan berenergi tinggi. Selama glikolisis dihasilkan 4 molekul ATP, akan tetapic 2 molekul ATP diantaranya digunakan kembali untuk berlangsungnya reaksi-reaksi yang lain sehingga tersisa 2 molekul ATP yang siap digunakan untuk tubuh. Seluruh proses glikolisis tidak memerlukan oksigen. Reaksi glikolisis terjadi di sitoplasma (di luar mitokondria). Hasil akhir sebelum memasuki siklus krebs adalah asam piruvat. Ada yang membedakan tahap ini menjadi dua yaitu glikolisis dan dekarbosilasi oksidatif. Glikolisis mengubah senyawa 6C menjadi senyawa 2C pada hasil akhir glikolisis. Yang dimaksud dekarbosilasi oksidatif adalah reaksi asam piruvat diubah menjadi asetil KoA (syamsuri, 1980).
2) Siklus krebs
Glikolisis melepas energi kurang dari seperempat energi kimiawi yang tersimpan dalam glukosa, sebagian besar energi itu tetap tersimpan dalam dua molekul piruvet. Jika ada oksigen molekuler, piruvat itu memasuki mitokondria dimana enzim siklus krebs menyempurnakan oksidasi bahan bakar organiknya (Champbell, 2002) Memasuki siklus krebs, asetil KoA direaksikan dengan asam oksaloasetat (4C) menjadi asam piruvat (6C). selanjutnya asam oksaloasetat memasuki daur menjadi berbagai macam zat yang akhirnya menjadi asam oksalosuksinat. Dalam perjalanannya, 1C (CO2) dilepaskan. Pada tiap tahapan, dilepaskan energi dalam bentuk ATP dan hidrogen. ATP yang dihasilkan langsung dapat digunakan. Sebaliknya, hidrogen berenergi digabungkan dengan penerima hidrogen yaitu NAD dan FAD, untuk dibawa ke sistem transport elektron. Dalam tahap ini dilepaskan energi, dan hidrogen direasikan dengan oksigen membentuk air. Seluruh reaksi siklus krebs berlangsung dengan memerlukan oksigen bebas (aerob). Siklus krebs berlangsung didalam mitokondria (Syamsuri, 1980).
3) Sistem Transpor Elektron
Energi yang terbentuk dari peristiwa glikolisis dan siklus krebs ada dua macam. Pertama dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi, yaitu ATP atau GTP (Guanin Tripospat). Energi ini merupakan energi siap pakai yang langsung dapat digunakan. Kedua dalam bentuk transport elektron, yaitu NADH (Nikotin Adenin Dinokleutida) dan FAD (Flafin adenine dinukleotida) dalam bentuk FADH2. Kedua macam sumber elektron ini dibawa kesistem transfer elektron. Proses transfer elektron ini sangat komplek, pada dasarnya elektron dan H+ dan NADH dan FADH2 dibawa dari satu substrak ke substrak yang lain secara berantai. Setiap kali dipindahkan, energi yang terlepas digunakan untuk mengikatkan fosfat anorganik (P) kemolekul ADP sehingga terbentuk ATP. Pada bagian akhir terdapat oksigen sebagai penerima, sehingga terbentuklah H2O. katabolisme 1 glukosa melalui respirasi aerobik menghasilkan 3 ATP. Setiap reaksi pada glikolisis, siklus krebs dan transport elektron dihasilkan senyawa – senyawa antara. Senyawa itu digunakan bahan dasar anabolisme (Syamsuri, 1980).
b) Respirasi Anaerobik (Anaerob)
Respirasi anaerobik adalah reaksi pemecahan karbohidrat untuk mendapatkan energi tanpa menggunakan oksigen. Respirasi anaerobik menggunakan senyawa tertentu misalnya asam fosfoenol piruvat atau asetal dehida, sehingga pengikat hidrogen dan membentuk asam laktat atau alkohol. Respirasi anaerobik terjadi pada jaringan yang kekurangan oksigen, akan tumbuhan yang terendam air, biji – biji yang kulit tebal yang sulit ditembus oksigen, sel – sel ragi dan bakteri anaerobik. Bahan baku respirasi anaerobik pada peragian adalah glukosa. Selain glukosa, bahan baku seperti fruktosa, galaktosa dan malosa juga dapat diubah menjadi alkohol. Hasil akhirnya adalah alkohol, karbon dioksida dan energi. Glukosa tidak terurai lengkap menjadi air dan karbondioksida, energi yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan respirasi aerobik. Reaksinya:
C6H12O6 Ragi >> 2C2H5OH + 2CO2 + 21 Kal
Dari persamaan reaksi tersebut terlihat bahwa oksigen tidak diperlukan. Bahkan bakteri anaerobik seperti klostidrium tetani (penyebab tetanus) tidak dapat hidup jika berhubungan dengan udara bebas. Infeksi tetanus dapat terjadi jika luka tertutup sehingga memberi kemungkinan bakteri tambah subur (Syamsuri, 1980).
Seperti dijelaskan sebelumnya, proses respirasi diawali dengan proses pertukaran gas oksigen dan karbon dioksida melalui alat pernapasan. Alat pernapasan tumbuhan letaknya tersebar. Tumbuhan dapat melakukan pertukaran gas melalui stomata, lenti sel, dan rambut akar. Pada tumbuhan tertentu, pernapasan melalui alat khusus, misalnya akar napas pada tumbuhan bakau maupun beringin. Berikut ini akan dijelaskan alat-alat pernapasan tumbuhan.
1. Stomata
Stomata atau mulut daun terdiri atas celah atau lubang yang dikelilingi oleh dua sel penjaga dan terletak di daun. Stomata berfungsi sebagai tempat pertukaran gas pada tumbuhan, sedangkan sel penjaga berfungsi untuk mengatur, membuka dan menutupnya stomata.
Stomata tumbuhan pada umumnya membuka pada saat matahari terbit dan menutup saat hari gelap. Membuka dan menutupnya stomata dipengaruhi oleh kandungan air dan ion kalium di dalam sel penjaga. Ketika sel penjaga memiliki banyak ion kalium, air dari sel tetangga akan masuk ke dalam sel penjaga secara osmosis. Akibatnya, dinding sel penjaga yang berhadapan dengan celah stomata akan tertarik ke belakang, sehingga stomata menjadi terbuka. Sebaliknya, ketika ion kalium keluar dari sel penjaga, air dari sel penjaga akan berpindah secara osmosis ke sel tetangga. Akibatnya, sel tetangga mengembang dan mendorong sel penjaga ke arah celah sehingga stomata menutup. Perhatikan gambar dibawah ini :
Gamabar : Membuka dan menutupnya stomata diatur oleh sel penjaga (guard cell) ; stoma membuka (kiri), stoma menutup (kanan). (Sumber : Campbell et al. 1999)
2. Lentisel
Pada tumbuhan dikotil, selain kambium intervasikuler yang membentuk xilem dan floem sekunder, ada juga kambium gabus yang menghasilkan parenkima gabus dan lapisan gabus. Lapisan gabus akan menggantikan epidermis. Lapisan gabus terdiri atas sel-sel mati dan membantu melindungi batang. Kambium gabus, parenkima gabus, dan lapisan gabus akan mengelupas dan lepas sebagai bagian kulit. Akibatnya, timbul lubang-lubang di batang yang disebut lentisel. Lentisel memungkinkan sel-sel tetap hidup di dalam batang melalui pertukaran gas dengan udara luar.
Gamabar : Lentisel (Sumber: http://www.biyolojiegitim.yyu.edu.tr)
3. Rambut Akar
Selain untuk menghisap air dan garam-garam mineral, rambut akar berfungsi sebagai alat pernapasan. Sel-sel rambut akar akan mengambil oksigen pada pori-pori tanah.
Gamabar : Rambut Akar
4. Alat Pernapasan Khusus
Kemampuan tumbuhan beradaptasi terhadap lingkungan menghasilkan alat pernapasan khusus. Tumbuhan bakau yang hidup di lingkungan air laut mempunyai akar yang tumbuh ke atas permukaan tanah untuk memperoleh oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Akar tersebut disebut akar napas.
Pohon beringin dan anggrek mempunyai akar gantung untuk bernapas. Akar tersebut tumbuh dari batang dan menggantung kearah tanah. Pada saat masih menggantung, akar ini menyerap uap air dan gas dari udara. Akan tetapi setelah masuk ke tanah, akar tersebut berfungsi menyerap air dan garam mineral. Tumbuhan yang hidup di air seperti enceng gondok dan kangkung, batangnya mempunyai rongga-rongga udara yang besar berfungsi untuk menyalurkan oksigen.
Gamabar : (a) akar pohon bakau (b) akar pohon beringin
Pertukaran Gas
Pertukaran gas antara tumbuhan dan lingkungannya merupakan bagian yang penting dalam respirasi. Pertukaran gas secara keseluruhan berlangsung secara difusi. Difusi merupakan perpindahan zat dari larutan pekat ke larutan encer. Oksigen akan masuk ke dalam sel tumbuhan secara difusi melalui ruang antar sel, dinding sel, membran sel, dan akhirnya masuk ke dalam sel. Begitu juga dengan karbondioksida, yang akan berdifusi ke luar sel dan masuk ke ruang antar sel. Transpor oksigen dan karbon dioksida antara ruang antar sel dengan lingkungan luar juga berlangsung secara difusi.
o Proses Respirasi
Respirasi merupakan proses penguraian senyawa organik menjadi air dan karbondioksida untuk memperoleh energi dengan bantuan oksigen. Senyawa organik merupakan bahan bakar respirasi untuk menghasilkan ATP, sedangkan produk limbah respirasi seperti karbon dioksida dan air, merupakan bahan yang digunakan kloroplas sebagai bahan mentah untuk fotosintesis. Lihat Gambar 6. Energi (ATP) yang diperoleh dari proses respirasi, akan digunakan untuk aktifitas metabolisme tubuh tumbuhan. Proses keseluruhan dapat dirangkum sebagai berikut:
Senyawa organik + oksigen –> karbon dioksida + air + energy
Gambar : Hubungan antara proses fotosintesis dengan proses respirasi pada tumbuhan (Sumber: Campbell, et all, 2006)
Glukosa, lemak, dan protein dapat diproses dan digunakan sebagai bahan respirasi. Jika glukosa (C6H12O6) yang digunakan sebagai bahan respirasi maka reaksinya dapat ditulis sebagai berikut:
C6H12O6 6CO2 + 6H2O + Energi
Sebagian besar dari energi (kira-kira 2.870 KJ atau 686 kcal mol-1 glukosa) yang disebabkan selama respirasi adalah panas (kalor ). Jika suhu rendah, panas tersebut dapat memicu metabolisme dan menguntungkan pertumbuhan beberapa spesies tumbuhan, tetapi biasanya panas itu hanya dipindahkan ke atmosfir atau ke tanah dengan tidak berakibat apa pun bagi tumbuhan. Jauh lebih penting dari panas adalah energy yang tersimpan dalam ATP, karena energy itu dapat digunakan kelak dalam banyak proses hidup penting, seperti tumbuh dan akumulasi ion.
Ringkasan reaksi respirasi tersebut di atas menyesatkan, karena respirasi tidak hanya terdiri atas satu reaksi. Repirasi terdiri atas 50 atau lebih reaksi, masing-masing dikatalisi oleh enzim yang berbeda. Respirasi adalah suatu oksidasi yang berlangsung dalam medium air, dan pada pH mendekati netral. Penguraian molekul-molekul besar setahap demi setahap memberikan suatu cara untuk mengubah energi ATP. Pada waktu penguraian berlangsung, karbon antara untuk sintesis sejumlah produk tumbuhan yang penting. Temasuk di sini anatara lain asam amino untuk protei, nukleotida untuk asam nukleat dan precursor karbon untuk pigmen profirin (seperti klorofil dan sitokrom) serta untuk lemak terol, karotenoid antosianin dan beberapa senyawa aromatik yang lain. Pada waktu senyawa-senyawa tersebut dibentuk, perubahan subtrat asal respirasi menjasi CO2 dan H2O tidak lengkap. Biasanya hanya beberapa subtrat respirasi yang dioksidasi sempurn menjadi CO2 dan H2O ( proses kata bolisme ), sedangkan sisanya digunakan dalam proses sintesis ( anabolisme ) terutama dalam sel-sel yang sedang tumbuh. Energi yang di tangkap selama oksidasi dapat digunakan untuk sintesis molekul-molekul besar yang diperlukan untuk pertumbuhan. Pada waktu tumbuhan sedang tumbuh, laju respirasi meningkat karena diperlukan pertumbuhan, tetapi beberapa senyawa yang digunakan dipindahkan ke reaksi sintesis dan tidak pernah timbul sebagai CO2. Atom-atom karbo dalam senyawa yang direspirasi akan diubag menjadi CO2 atau suatu molekul besar seperti tersebut di atas bergantung pada macam sel yang terlibat, posisi sel dalam tumbhan dan kecepatan pertumbuhan tumbuhan itu.
1. Substrat untuk Respirasi
Subtrat untuk respirasi setiap bahan organik tumbuhan yang teroksidai sebagian (menjadi senyawa teroksidasi) atau teroksidasi sempurna (menjadi CO2 dan H2O) dalam metabolism repiratoris. Karbohidrat merupakan subtrat utama respirasi dalam sel-sel tumbuhan tinggi. Subtrat untuk respirasi yang paling penting di antara karbohidrat adalah sukrosa dan pati. Sukrosa ( suatu disakarida yang terdiri atas glukosa dan fruktosa ) dan pati (polimer dari glukosa) adalah bentuk karbohidrat yang disimpan dalam sel tumbuhan. Sukrosa, fruktosa, dan glukosa merupaka gula dapat larut utama dalam sel tumbuhan. Di dalam sel-sel tumbuhan perubahan antara glukosa, fruktosa, sukrosa dan pati dilakasanakan melalu transformasi yang dikatalisi enzim dari derivat-derivat karbohidrat terfosforilasi tersebut.
Gambar B.a.1. Dari keempat senyawa ini, glukosa biasanya dianggap sebagai titik awal untuk metabolism karbohidrat.
Dalam beberapa jaringan tumbuhan, selain karbohidrat, senyawa lain kadang-kadang dapat berperan sebagai subtrat respirasi. Biji-biji tertentu, misalnya biji jarak mengandung lemak sebagai bahan cadangan yang terdapat dalam jaringan endosperem yag mengelilingi embrio. Selama beberapa hari pertama perkecambahan , lemak-lemak diubah terutama menjadi sukrosa yang selajutnya diserap dan direspirasikan oleh embrio yang sedang tumbuh. Jadi metabolisme respirasi dalam endosperem dari biji-biji mengandung lemak yang sedang berkecambah itu terutama dari peguraian lemak menjadi CO2 dan H2O.
Pada keadan tertentu dalam bebrapa jaringan asam organik dapat digunakan sebagai subtrat untuk respirasi. Misalnya, asam organik berkabon-empat yaitu asam amalat ditambu dalam daun tumbuhan sukulen yang termasuk family Crassulaceae dan family lain selama malam hari. Asam glikolat, asam organic berkarbon-dua, juga digunakan sebagai subtract respirasi, asam glikolt dihasilkan dalam daun yang disinari sebagia besar tumbuhan tiggi.
Protein jarang direspirasi kecuali dalam keadaan tertentu. Dalam daun yang dipetik , misalnya penguraian protein berlangsung bersama-sama dengan penguraian karbohidrat. Protein juga berperan sebagai subtrat respirasi selama tahap awal perkecambahan biji yang mengandung protein sebagai cadangan makan.
2. Garis Besar Metabolisme dari Respirasi
Proses utama respirasi adalah mobilita senyawa organik dan oksidasi senyawa-senyawa tersebut secara terkendali untuk membebaskan energi dari bagi pemelihara dan perkembangan tumbuhan. Perhatikan reaksi keseluruhan dari oksidasi satu molekul heksosa berikut ini :
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energi
Reaksi respirasi (Oksidasi Biologis) suatu karbohidrat, misalnya glukosa berlangsung dalam empat tahapan yaitu :
I. Glikolisis, merupakan serangkaian reaksi yang menguraikan satu molekul glukosa menjadi dua molekul asam pirufat.
II. Dekarboksilasi oksidasi piruvat. Asam piruvat yaitu senyawa 3C diubah menjadi senyawa 2C (asetil-SKoA) denganmelepaskan CO2.
III. Daur sitrit. Senyawa 2C yang dihasilkan dari tahap Dekarboksilasi oksidasi piruvat diuraiakn menjadi CO2. Daur ini lebih dikenal dengan nama daur krebs. Daur ini juga dinamakan daur asam sitrat kareana senyawa C6 yang pertama kali dibentuk dalam daur ini adalah asam sitrat.
IV. Oksidasi terminal dalam rantai rspiratoris. Hydrogen yang dihasilkan oleh subtrat pada tahap Glikolisis hingga Daur sitrit akhirnya berkombinasi dengan air. Agar hal ini dapat berlangsung, terjadi suatu angkutan hidrogen sepanjang suatu rantai system redoks, yaitu melalaui suatu system angkutan/transport electron. Energy yang dibebaskan oleh angkutan electron ini digunakan untuk pembentukan ATP.
ATP Fruktosa-6-fosfat
ADP ADP
Glukosa 2
1 3
Glukosa-6-fosfat ATP
7 8 Fruktosa
Glokosa-1-fosfat
Pati 6
iP 5
UTP
PiP
UDPG 4
UDP
Sukrosa
Gambar B.a.1 : Gambaran secara diagram beberapa reaksi metabolik yang mengikut sertakan
Glukosa, fruktosa, sukrusa dan pati ; ditunjukan bahwa keempat senyawa
tersebut dapat saling dikoversikan dalam sel tumbuhan.
Keterangan :
iP asam fosfat ( H3PO4 )
PiP asam pirofosfat ( H4P2O7 )
UDP uridin difosfat
UTP uridin trifosfat
UDPG uridin difosfatglukosa
ADP adenosine difosfat
Enzim yang digunakan :
1. Glukokinase
2. Fosfoheksosa isomerase
3. Fruktokinase
4. UDPG-fruktosa-transglikosilase
5. UTP-glukos-1-fosfat-uridiltransferase
6. Pati fosforilase
7. Α-amilase, β-amilase dan maltase
8. Fosfoglukomut
3. Oksidase selain Sitokrom Oksidase
Oksidase adalah enzim yang mengkatalisis transfer elektron dari subtrat ke O2.
Sedangkan sitokrom oksidase adalah enzim mitokondria yang mengakhiri rantai respirator. Melalui sitokrom oksidase, electron dipindahan dari subtract respirasi tertentu (misalnnya NADH2) ke O2 yang tereduksi menjadi air. Selain sitokrom oksidase, oksidase juga berperan penting dalam pengambilan O2 oleh sel-sel tumbuhan. Berikut ini beberapa bentuk oksidase :
1) Asam glikolat oksidase
Peroksisom daun hijau mengandung oksidase yang mempunyai flavin yaitu asam
glikolat oksidase yang berfungsi untuk ereduksi O2 menjadi hydrogen peroksida (H2O2). H2O2 yang dihasilkan selanjutnya diuraikan oleh reaksi yang diktalisis oleh enzim katalase yang terdapat dalam semua sel tumbuhan menjadi H2O dan O2.
2H2O2 2H2O + O2
2) Flavin Oksidase
Oksidase mengandung flavi lain yang disebut flavin oksidase beberapa dalam penguraian
secara oksidase asam lemak dalam jaringan kecambahan tertentu. Enzim ini terdapat dalam organel disebut glioksisom. Koenzim untuk flavin oksidase adalah flavin-adenin dinukleotida. H2O2 yang dihasilkan oleh reaksi ini diuraiakan oleh katalase menjadi H2O dan O2.
3) Fenolase ( Difenol oksidae )
Perubahan warna menjadi coklat atau hitam yang terbentuk dalam beberapa jaringan tak
lama setelah kerusakan karena diiris, dipotong atau lainnya adalah hasil aktivitas oksidase yang mengandung tembaga yang disebut difenol oksidase atau fenoase. Contoh reaksi coklatnya jaringan anatara lain kulit dan daging buah pisang dan sayuran seperti ekntang, terong dan apel. Oksidase suatu o-dihidroksifenol ( misalnya asam klorogenat ) oleh O2 ( yaitu aktifitas fenolase ) menghasilkan o-kinon yang sesuai. Kinon ini sangat reaktif dan berkondensasi dengan asam amino dan protein yang terdapat dalam jaringan tumbuhan, menghsilkan polimer kompleks berwarna coklat.
4) Asam askorbat oksidase
Asam askorbat oksidase adalah enzim yang mengandung tembaga yang telah diekstraksi
dari beberapa jaringan tumbuhan. Didasarka dari sebuah penemuan bahwa suatu campuran yang mengandung asam askorbat, sistin, sediaan enzim asam askorbat oksidase, asam dehidroaskorbat dan sistin reduktase mampu mengoksidase NADH2.
5) IAA ( Asam Indol asetat) Oksidase
Jaringn tumbuhan mengandung enzim enzim yang mampu mengoksidasi IAA. Enzim ini
bukan suatu oksidase asli sebaliknya IAA oksidase termasuk kelompok enzim peroksidase. Peroksidase mengkatalisis oksidasi sebagai berikut :
AH2 + H2O2 A + 2H2O
4. Reaksi karboksilasi
Reaksi karboksilasi yang mengubah asam karbon-tiga dari jalur glikolisis menjadi asam
berkarbon-empat dari daur krebs merupakan reaksi anaplerotik yang penting. Satu jalur anaplerotik lain yang penting adalah daur glioksilat satu daur yang mampu mengubah satu molekul sitrat dan asatu molekul asetil-KoA menjadi dua molekul oksaloasetat. Tetapi, karboksilsi ini mempunyai sejumlah fungsi lain dalam tumbuhan termasuk sinstesis senyawa antara dalam jaringan embrio atau jaringan yang tidak mempunyai mekanisme dalam menambat/mengikat CO2 untuk fotosintesis.
5. Kontrol dari Respirasi
Respirasi adalah suatu proses eksergonik (eksotermik) yaitu melepaskan energi. Jadi jika tidak dikontrol, respirasi akan berjalan dengan kecepatan tinggi secara berkesinambungan hingga semua persedian subtract habis. Sebenarnya sejumlah pengontrolan berkerja pada berbagai fase metabolisme sel. Dibawah ini terdapal beberapa kontrol dari respirasi :
1) Efek Pasteur
Metabolisme ragi dapat dipengaruhi olek oksigen ; oksigen rendah fermentasi sedangkan oksigen tinggi menghambat fermentasi dan memacu respirasi oksidasi dan juga meningkatkan penggunaan karbon dari gula untuk reaksi sintesis. Oksigen berperan dalam pengaturan ratio ATP/ADP. Jika oksigen tidak terdapat, metabolism tidak dapat berlangsung dan jalur utama sintesis ATP berhenti. Metabolisme sel akan dilanjutkan dengan menggunakan ATP yang masih ada dan sejumlah ADP dan iP dihasilkan yang meransang fermentasi. Jika oksigen tidak ada, daur krebs tidak dapat berlangsung sehingga senyawa antara daur krebs tidak tersedia untuk reaksi sintesis. Piruvat juga tidak terdapat karena piruvat direduksi menjadi laktat atau etanol yang diperlukan untuk reoksidasi NADH2. Selain itu, bannyak reaksi sintesis yang menggunakan senyawa antara memerlukan metabolism oksidasi. Karena itu pada kondisi anaerob sedikit atau tidak ada karbon gula yang dialihkan ke sintesi seluler, sedangkan adanya oksigen memungkinkan terjadinya reaksi tersebut.
2) Kontrol umpan balik dan alosterik
Efek alosterik terjadi jika suatu molekul kecil yang sering tidak berkaitan langsung
dengan reaksi akan meningkatkan atau menghambat reaksi enzim yang khas dengan berkombinasi dengan tempat sekunder atau alosterik dari enzim. Mekanisme umpan balik melibatkan penghambatan atau pemacu (jarang terjadi) suatu atau reaksi oleh satu hasil akhirnya yang sering merupakan hasil efek alosterik. Biasanya reaksi permulaan dan belakangan dalam satu jalur metabolism sangat eksotermik, artinya reaksi-reaksi itu mempunyai perubahan energi bebas yang sangat negatif dan karena itu hampir tidak dapat dibalik. Ini mencegah penimbunan subtrat atau senyawa antara dan enzim-enzim yang dimaksud disebut pemacu gerak (pacemakers). Pemacu gerak merupakan tempat yang jelas memerlukan pengaturan, seperti halnya enzim-enzi yang menengahi reaksi pada tempat percabangan utama dalam suatau rantai metabolisme.
3) Kontrol kofaktor
Reaksi-reaksi respirasi yang penting dikontrol oleh prekursor-hasil melalui perbandingan
NADH2/NAD dan ATP/ADP. Glikolisis dan fermentasi diatur oleh keperluan sel akan ATP dan NADH2. Reaksi-reaksi reduksi dari fermentasi (piruvat laktat etanol ) diatur oleh keperluan mutlak akan NAD yang tidak dapat dibentuk dari NADH2 melalui rantai angkutan elektron tanpa adanya oksigen.
4) Reaksi-reaksi cabang
Laju respirasi dipengaruhi oleh keperluan sel akan senyawa-aenyawa antara sintesis.
Penggunaan senyawa antara akan mempengaruhi reaksi respirasi yang membentuknya dan meningkatkan laju kesluruhan respirasi. Karena metabolisme selanjutnya dari senyawa antara yang diambil tersebut juga memerlukan ATP atau kofaktor tereduksi (misalnya sintesis asam amaino dan protein) maka peningkatan lebih lanjut dari laju respirasi akan terjadi.
6. Faktor-faktor yang mempengaruhi respirasi
a. Subtrat
Respirasi bergantung pada tersedianya subtrat, dan tumbuhan dengan pesediaan pati,
fruktan dan gula yang rendah, laju respirasinya juga rendah. Tumbuhan yang kekeurangan gula, jika diberi gula sering nyatanya menunjukan kenaikan respirasi. Daun-daun yang terlindung dan yang terdapat di bagian yang lebih bawah biasanya respirasinya lebih rendah dari pada daun yang terdapat di bagian lebih atas yang terdedah pada tingkat cahaya lebih tinggi. Jika kekurangan bahan untuk respirasi sangat ekstensif maka protein pun dapat dioksidasi.
b. Suhu
Respirasi seperti juga proses-proses reaksi ezimatis yang lain dipengaruhi oleh suhu.
Didalam batas-batas tertentu laju reaksi enzim kira-kira meningkat dua kali untuk setiap kenaikan suhu 100C. Pada waktu suhu naik di atas350C trjadi penurunan respirasi karena enzim-enzim yang diperlukan mulai mengalami denaturasi.
c. Oksigen
Suplai O2 mempengaruhi respirasi, tetap pengaruhnya sangat berbeda untuk spesies
tumbuhan yang berbeda dan malahan berbeda untuk organ-organ yang berbeda dalam tumbuhan yang sama. Dalam jaringan yang lebih tebal dengan perbadingan permukaan/volume rendah, difungsi O2 dari udara ke sitokrom oksidase dalam sel-sel di sebelah dalam diperlambat sehingga laju respirasi rendah.
d. Umur dan tipe jaringan
Respirasi jarigan muda lebih tiggi dari jaringan muda lebih tinggi jaringan tua, jaringan
yang berkembang melakukan respirasi lebih tinggi dari jaringan dewasa. Misalnya laju respirasi kecambah biasanya meningkat cepat selama perkecambahan hingga mencapai suatu puncak pada periode pertumbuhan kecambah yang paling cepat kemudian menurun setelah jaringan dewasa.
e. Karbon dioksida
Sebagai hasil akhir reaksi, konsentrasi yang tinggi dari karbon dioksida diperkirakan akan
menghambat respirasi. Konsentrasi karbon dioksida yang tinggi menyebabkan stomata menutup. Karbon dioksida berpengaruh menghambat pada suksinat dehidrogenase tetapi ini hanya akan mempengaruhi respirasi aerop yang mungkin tidak begitu penting pada awal perkecambahan.
f. Garam-garam
Jika akar menyerap garam, laju respirasi meningkat. Hal ini dikaitkan dengan energi
yang dikeluarkan pada saat garam/ion diserap. Fenomena ini disebut respirasi garam.
g. Luka dan stimulasi
Stimulasi mekanis pada jaringan daun menyebabkan respirasi naik untuk sementara,
biasanya beberapa menit hingga satu jam.
b) Sistem Pernapasan pada Hewan
Alat respirasi adalah alat atau bagian tubuh tempat O2 dapat berdifusi masuk dan sebaliknya CO2 dapat berdifusi keluar. Alat respirasi pada hewan bervariasi antara hewan yang satu dengan hewan yang lain, ada yang berupa paru-paru, insang, kulit, trakea, dan paru-paru buku, bahkan ada beberapa organisme yang belum mempunyai alat khusus sehingga oksigen berdifusi langsung dari lingkungan ke dalam tubuh, contohnya pada hewan bersel satu, porifera, dan coelenterata. Pada ketiga hewan ini oksigen berdifusi dari lingkungan melalui rongga tubuh.
1) Sistem Penapasan pada vertebrata
1. Burung
Burung mempunyai saluran pernapasan yang terdiri atas lubang hidung, trakea, bronkus dan paru-paru. Pada bagian bawah trakea terdapat alat suara disebut siring. Burung mempunyai alat bantu pernapasan yang disebut pundi-pundi udara yang berhubungan dengan paru-paru. Fungsi pundi-pundi udara antara lain menyimpan udara, mempermudah burung terbang, memperkecil berat jenis ketika terbang, mengurangi kehilangan panas tubuh yang berlebihan, dan untuk membantu pernapasan dan membantu membesarkan rongga siring sehingga dapat memperkeras suara. Proses pernapasan pada burung terjadi sebagai berikut. Jika otot tulang rusuk berkontaksi, tulang rusuk bergerak ke arah depan dan tulang dada bergerak ke bawah. Rongga dada menjadi besar dan tekanannya menurun. Hal ini menyebabkan udara masuk ke dalam paru-paru dan selanjutnya masuk ke dalam pundi-pundi udara.
Jalur pernapasan pada burung berawal di lubang hidung. Pada tempat ini, udara masuk kemudian diteruskan pada celah tekak yang terdapat pada dasar faring yang menghubungkan trakea. Trakeanya panjang berupa pipa bertulang rawan yang berbentuk cincin, dan bagian akhir trakea bercabang menjadi dua bagian, yaitu bronkus kanan dan bronkus kiri. Dalam bronkus pada pangkal trakea terdapat sirink yang pada bagian dalamnya terdapat lipatan-lipatan berupa selaput yang dapat bergetar. Bergetarnya selaput itu menimbulkan suara. Bronkus bercabang lagi menjadi mesobronkus yang merupakan bronkus sekunder dan dapat dibedakan menjadi ventrobronkus (di bagian ventral) dan dorsobronkus ( di bagian dorsal). Ventrobronkus dihubungkan dengan dorsobronkus, oleh banyak parabronkus (100 atau lebih). Parabronkus berupa tabung tabung kecil. Di parabronkus bermuara banyak kapiler sehingga memungkinkan udara berdifusi. Selain paru-paru, burung memiliki 8 atau 9 perluasan paru-paru atau pundi-pundi hawa (sakus pneumatikus) yang menyebar sampai ke perut, leher, dan sayap. Pundi-pundi hawa berhubungan dengan paru-paru dan berselaput tipis. Di pundi-pundi hawa tidak terjadi difusi gas pernapasan; pundi-pundi hawa hanya berfungsi sebagai penyimpan cadangan oksigen dan meringankan tubuh. Karena adanya pundi-pundi hawa maka pernapasan pada burung menjadi efisien. Pundi-pundi hawa terdapat di pangkal leher (servikal), ruang dada bagian depan (toraks anterior), antara tulang selangka (korakoid), ruang dada bagian belakang (toraks posterior), dan di rongga perut (kantong udara abdominal).
Pada waktu otot tulang rusuk mengendur, tulang rusak bergerak ke arah belakang dan tulang dada bergerak ke arah atas. Rongga dada mengecil dan tekanannya menjadi besar, mengakibatkan udara keluar dari paru-paru. Demikian juga udara dari pundi-pundi udara keluar melalui paru-paru. Pengambilan oksigen oleh paru-paru terjadi pada waktu inspirasi dan ekspirasi. Pertukaran gas hanya terjadi di dalam paru-paru. Pada burung, tempat berdifusinya gas pernapasan hanya terjadi di paru-paru. Paru-paru burung berjumlah sepasang dan terletak dalam rongga dada yang dilindungi oleh tulang rusuk.
Masuknya udara yang kaya oksigen ke paru-paru (inspirasi) disebabkan adanya kontraksi otot antartulang rusuk (interkostal) sehingga tulang rusuk bergerak keluar dan tulang dada bergerak ke bawah. Atau dengan kata lain, burung mengisap udara dengan cara memperbesar rongga dadanya sehingga tekanan udara di dalam rongga dada menjadi kecil yang mengakibatkan masuknya udara luar. Udara luar yang masuk sebagian kecil tinggal di paru-paru dan sebagian besar akan diteruskan ke pundi- pundi hawa sebagai cadangan udara.
Udara pada pundi-pundi hawa dimanfaatkan hanya pada saat udara (O2) di paru-paru berkurang, yakni saat burung sedang mengepakkan sayapnya. Saat sayap mengepak atau diangkat ke atas maka kantung hawa di tulang korakoid terjepit sehingga oksigen pada tempat itu masuk ke paru-paru. Sebaliknya, ekspirasi terjadi apabila otot interkostal relaksasi maka tulang rusuk dan tulang dada kembali ke posisi semula, sehingga rongga dada mengecil dan tekanan menjadi lebih besar dari tekanan di udara luar akibatnya udara dari paru-paru yang kaya karbon dioksida keluar. Bersamaan dengan mengecilnya rongga dada, udara dari kantung hawa masuk ke paru-paru dan terjadi pelepasan oksigen dalam pembuluh kapiler di paru-paru. Jadi, pelepasan oksigen di paru-paru dapat terjadi pada saat ekspirasi maupun inspirasi.
Burung mengisap udara udara mengalir lewat bronkus ke pundi-pundi hawa bagian belakang bersamaan dengan itu udara yang sudah ada di paru-paru mengalir ke pundi-pundi hawa udara di pundi-pundi belakang mengalir ke paru-paru udara menuju pundi-pundi hawa depan. Kecepatan respirasi pada berbagai hewan berbeda bergantung dari berbagai hal, antara lain, aktifitas, kesehatan, dan bobot tubuh.
2. Reptil
Reptil bernapas dengan paru-paru. Contohnya buaya, kadal, ular, kura-kura, komodo dan cicak. Pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida terjadi di dalam paru-paru. Keluar masuknya udara dari dan keluar paru-paru karena adanya gerakan-gerakan dari tulang rusuk. Saluran pernapasan terdiri dari lubang hidung.
Secara umum reptilia bernapas menggunakan paru-paru. Tetapi pada beberapa reptilia, pengambilan oksigen dibantu oleh lapisan kulit disekitar kloaka. Pada reptilia umumnya udara luar masuk melalui lubang hidung, trakea, bronkus, dan akhirnya ke paru-paru. Lubang hidung terdapat di ujung kepala atau moncong. Udara keluar dan masuk ke dalam paru-paru karena gerakan tulang rusuk. Sistem pernafasan pada reptilia lebih maju dari Amphibi. Dinding laring dibentuk oleh tulang rawan kriterokoidea dan tulang rawan krikodea. Trakhea dan bronkhus berbentuk panjang dan dibentuk oleh cincin-cincin tulang rawan. Tempat percabangan trakhea menjadi bronkhus disebut bifurkatio trakhea. Bronkhus masuk ke dalam paru-paru dan tidak bercabang-cabang lagi. Paru-paru reptilia berukuran relatif besar, berjumlah sepasang. Struktur dalamnya berpetak-petak seperti rumah lebah, biasanya bagian anterior lebih banyak berpetak daripada bagian posterior. Larinx terletak di ujung anterior trachea. Dinding larinx ini disokong oleh cartilago cricoida dan cartilago anytenoidea. Kearah posterior trachea membentuk percabangan (bifurcatio) menjadi bronkhus kanan dan bronkhus kiri, yang masing-masing menuju ke pulmo kanan dan pulmo kiri. Pulmo lacertilia dan ophidia ialah relatif sederhana. Pada beberapa bentuk, bagian internal pulma terbagi tidak sempurna menjadi dua bagian, ialah bagian anterior berdinding saccuter sedang bagian posterior berdinding licin, tidak vasculer dan berfungsi terutama untuk reservoir. Paru-paru reptilia berada dalam rongga dada dan dilindungi oleh tulang rusuk. Paru-paru reptilia lebih sederhana, hanya dengan beberapa lipatan dinding yang berfungsi memperbesar permukaan pertukaran gas. Pada reptilia pertukaran gas tidak efektif. Pada kadal, kura-kura, dan buaya paru-paru lebih kompleks, dengan beberapa belahan - belahan yang membuat paru-parunya bertekstur seperti spon. Paru-paru pada beberapa jenis kadal misalnya bunglon Afrika mempunyai pundi-pundi hawa cadangan yang memungkinkan hewan tersebut melayang di udara.
o Paru - paru reptilian
Reptil bernapas dengan paru-paru. Pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida terjadi di dalam paru-paru. Keluar masuknya udara dari dan keluar paru-paru karena adanya gerakan-gerakan dari tulang rusuk. Saluran pernapasan terdiri dari lubang hidung, trakea, bronkus dan paru-paru.
3. Katak
Pada katak, oksigen berdifusi lewat selaput rongga mulut, kulit, dan paru-paru. Kecuali pada fase berudu bernapas dengan insang karena hidupnya di air. Katak dalam daur hidupnya mengalami metamorfosis atau perubahan bentuk. Pada waktu muda berupa berudu dan setelah dewasa hidup di darat. Mula-mula berudu bernapas dengan insang luar yang terdapat di bagian belakang kepala. Insang tersebut selalu bergetar yang mengakibatkan air di sekitar insang selalu berganti. Oksigen yang terlarut dalam air berdifusi di dalam pembuluh kapiler darah yang terdapat dalam insang.
Setelah beberapa waktu insang luar ini akan berubah menjadi insang dalam dengan cara terbentuknya lipatan kulit dari arah depan ke belakang sehingga menutupi insang luar. Katak dewasa hidup di darat, pernapasannya dengan paru-paru. Selain dengan paru-paru, oksigen dapat berdifusi dalam rongga mulut yaitu melalui selaput rongga mulut dan juga melalui kulit.
Selaput rongga mulut dapat berfungsi sebagai alat pernapasan karna tipis dan banyak terdapat kapiler yang bermuara di tempat itu. Pada saat terjadi gerakan rongga mulut dan faring, lubang hidung terbuka dan glotis tertutup sehingga udara berada di rongga mulut dan berdifusi masuk melalui selaput rongga mulut yang tipis. Selain bernapas dengan selaput rongga mulut, katak bernapas pula dengan kulit, ini dimungkinkan karma kulitnya selalu dalam keadaan basah dan mengandung banyak kapiler sehingga gas pernapasan mudah berdifusi. Oksigen yang masuk lewat kulit akan melewati vena kulit (vena kutanea) kemudian dibawa ke jantung untuk diedarkan ke seluruh tubuh. Sebaliknya karbon dioksida dari jaringan akan di bawa ke jantung, dari jantung dipompa ke kulit dan paru-paru lewat arteri kulit pare-paru (arteri pulmo kutanea). Dengan demikian pertukaran oksigen dan karbon dioksida dapat terjadi di kulit.
Selain bernapas dengan selaput rongga mulut dan kulit, katak bernapas juga dengan paru-paru walaupun paru-parunya belum sebaik paru-paru mamalia.
Katak mempunyai sepasang paru-paru yang berbentuk gelembung tempat bermuaranya kapiler darah. Permukaan paru-paru diperbesar oleh adanya bentuk- bentuk seperti kantung sehingga gas pernapasan dapat berdifusi. Paru-paru dengan rongga mulut dihubungkan oleh bronkus yang pendek.
Gambar : alat pernafasan katak
Gambar : Mekanisme pernafasan katak Dalam paru-paru terjadi mekanisme inspirasi dan ekspirasi yang keduanya terjadi saat mulut tertutup. Fase inspirasi adalah saat udara (kaya oksigen) yang masuk lewat selaput rongga mulut dan kulit berdifusi pada gelembung-gelembung di paru-paru. Mekanisme inspirasi adalah sebagai berikut. Otot Sternohioideus berkonstraksi sehingga rongga mulut membesar, akibatnya oksigen masuk melalui koane.
Setelah itu koane menutup dan otot rahang bawah dan otot geniohioideus berkontraksi sehingga rongga mulut mengecil. Mengecilnya rongga mulut mendorong oksigen masuk ke paru-paru lewat celah-celah. Dalam paru-paru terjadi pertukaran gas, oksigen diikat oleh darah yang berada dalam kapiler dinding paru-paru dan sebaliknya, karbon dioksida dilepaskan ke lingkungan. Mekanisme ekspirasi adalah sebagai berikut. Otot-otot perut dan sternohioideus berkontraksi sehingga udara dalam paru-paru tertekan keluar dan masuk ke dalam rongga mulut. Celah tekak menutup dan sebaliknya koane membuka. Bersamaan dengan itu, otot rahang bawah berkontraksi yang juga diikuti dengan berkontraksinya geniohioideus sehingga rongga mulut mengecil. Dengan mengecilnya rongga mulut maka udara yang kaya karbon dioksida keluar.
4. Ikan
Ikan hidup di air rawa, sungai, laut, kolam, danau. Ikan bernafas dengan insang. Pernafasan ikan berlangsung 2 tahap :
Tahap I (Tahap Pemasukan) :
Pada tahap ini mulut ikan membuka dan tutup insang menutup sehingga air masuk rongga mulut, kemudian menuju lembaran insang, disinilah oksigen yang larut dalam air diambil oleh darah, selain itu darah juga melepaskan karbondioksida dan uap air.
Tahap II (Tahap Pengeluaran) :
Mulut menutup dan tutup insang membuka sehingga air dari rongga mulut mengalir keluar melalui insang. Air yang dikeluarkan ini telah bercampur dengan CO2 dan uap air yang dilepaskan darah.
Untuk ikan yang hidup di lumpur seperti ikan lele, gabus, betok, pada insangnya terdapat banyak lipatan yang disebut Labirin.
Ikan juga mempuyai gelembung renang yang berfungsi untuk :
a. Menyimpan oksigen
b. Membantu gerakan ikan naik turun
Ikan mas bernapas dengan insang yang terdapat pada sisi kiri dan kanan kepala. Masing-masing mempunyai empat buah insang yang ditutup oleh tutup insang (operkulum). Proses pernapasan pada ikan adalah dengan cara membuka dan menutup mulut secara bergantian dengan membuka dan menutup tutup insang. Pada waktu mulut membuka, air masuk ke dalam rongga mulut sedangkan tutup insang menutup. Oksigen yang terlarut dalam air masuk berdifusi ke dalam pembuluh kapiler darah yang terdapat dalam insang dan pada waktu menutup, tutup insang membuka dan air dari rongga mulut keluar melalui insang. Bersamaan dengan keluarnya air melalui insang, karbondioksida dikeluarkan.
5. Mamalia
Mamalia disebut juga hewan menyusui karena hewan betina dari kelompok ini menyusui anaknya, contohnya kambing, sapi,kerbau, kuda, kucing, tikus. Hewan mamalia yang hidup di air adalah ikan paus dan lumba-lumba. Hewan mamalia bernafas dengan paru-paru.
2) Sistem Pernapasan pada Hewan Invertebrata
1. Cacing Tanah
Cacing tanah tidak mempunyai alat pernapasan khusus. Kulitnya banyak mengandung kelenjar lendir. Dengan adanya lendir, kulit cacing selalu dalam keadaan basah dan licin. Melalui kulit yang basah ini, cacing menyerap oksigen serta mengeluarkan karbondioksida dan uap air secara difusi. Pengeluaran karbon dioksida juga melalu permukaan tubuh.
2. Protozoa (Hewan Bersel Satu)
Hewan bersel satu hanya mempunyai satu sel, oleh karena itu seluruh proses kehidupan dilakukan di dalam sel tersebut. Hewan bersel satu sangat kecil, hanya dapat dilihat dengan mikroskop. Hewan ini hidup di tempat-tempat berair, misal danau, sungai, laut, tanah basah.
Hewan bersel satu bernapas melalui seluruh permukaan tubuhnya. Pada saat hewan ini bernafas, oksigen (O2) masuk dan karbondioksida (CO2) keluar melalui permukaan tubuh secara difusi, yaitu O2 masuk dan CO2 keluar dengan cara menembus dinding sel yang tipis. Contoh hewan bersel satu adalah Amuba, Euglena dan ParamaeciumProtozoa tidak mempunyai alat pernapasan khusus untuk memperoleh oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Oksigen masuk ke dalam sel malalui selaput plasma secara difusi. Demikian juga karbondioksida dari dalam sel dikeluarkan melalui selaput plasma.
3. Insekta (seranggga)
Corong hawa (trakea) adalah alat pernapasan yang dimiliki oleh serangga dan arthropoda lainnya. Pembuluh trakea bermuara pada lubang kecil yang ada di kerangka luar (eksoskeleton) yang disebut spirakel. Spirakel berbentuk pembuluh silindris yang berlapis zat kitin, dan terletak berpasangan pada setiap segmen tubuh. Spirakel mempunyai katup yang dikontrol oleh otot sehingga membuka dan menutupnya spirakel terjadi secara teratur. Pada umumnya spirakel terbuka selama serangga terbang, dan tertutup saat serangga beristirahat.Sistem respirasi serangga berupa sistem pernafasan trakea. Alat pernafasan berupa pembuluh trakea. Udara keluar masuk melalui spirakel yang terdapat pada setiap sisi ruas tubuh serangga. Aliran udara pernafasan : oksigen masuk melalui spirakel menuju trakea. Selanjutnya menuju trakeolus dan terjadi pertukaran gas dengan sel tubuh. Mekanisme pernafasan : bila otot perut berkontraksi, trakea memipih sehingga udara kaya CO2 dari dalam tubuh keluar. Bila otot perut relaksasi, trakea ke posisi semula dan udara luar kaya O2 akan masuk melalui spirakel. Oksigen dari luar masuk lewat spirakel. Kemudian udara dari spirakel menuju pembuluh-pembuluh trakea dan selanjutnya pembuluh trakea bercabang lagi menjadi cabang halus yang disebut trakeolus sehingga dapat mencapai seluruh jaringan dan alat tubuh bagian dalam. Trakeolus tidak berlapis kitin, berisi cairan, dan dibentuk oleh sel yang disebut trakeoblas. Pertukaran gas terjadi antara trakeolus dengan sel-sel tubuh. Trakeolus ini mempunyai fungsi yang sama dengan kapiler pada sistem pengangkutan (transportasi) pada vertebrata.
Mekanisme pernapasan pada serangga, misalnya belalang, adalah sebagai berikut :
Jika otot perut belalang berkontraksi maka trakea mexrupih sehingga udara kaya CO2 keluar. Sebaliknya, jika otot perut belalang berelaksasi maka trakea kembali pada volume semula sehingga tekanan udara menjadi lebih kecil dibandingkan tekanan di luar sebagai akibatnya udara di luar yang kaya O2 masuk ke trakea.
Sistem trakea berfungsi mengangkut O2 dan mengedarkannya ke seluruh tubuh, dan sebaliknya mengangkut CO2 basil respirasi untuk dikeluarkan dari tubuh. Dengan demikian, darah pada serangga hanya berfungsi mengangkut sari makanan dan bukan untuk mengangkut gas pernapasan.
Di bagian ujung trakeolus terdapat cairan sehingga udara mudah berdifusi ke jaringan. Pada serangga air seperti jentik nyamuk udara diperoleh dengan menjulurkan tabung pernapasan ke permukaan air untuk mengambil udara.
Serangga air tertentu mempunyai gelembung udara sehingga dapat menyelam di air dalam waktu lama. Misalnya, kepik Notonecta sp. mempunyai gelembung udara di organ yang menyerupai rambut pada permukaan ventral. Selama menyelam, O2 dalam gelembung dipindahkan melalui sistem trakea ke sel-sel pernapasan.
Selain itu, ada pula serangga yang mempunyai insang trakea yang berfungsi menyerap udara dari air, atau pengambilan udara melalui cabang-cabang halus serupa insang. Selanjutnya dari cabang halus ini oksigen diedarkan melalui pembuluh trakea.
4. Coelenterate
Coelenterata tersusun dari dari dua lapisan sel, yaitu lapisan luar berasal dari ektoderm dan lapisan dalam berasal dari endoderm. Lapisan sel yang berasal dari ektoderm disebut epidermis dan lapisan yang berasal dari endoderm disebut gastrodermis. Pertukaran gas terjadi secara difusi pada sel di luar permukaan tubuh yang bersentuhan dengan air. Untuk respirasi, coelenterata mempunyai alat bantu berupa lekukan jaringan yang terdapat pada gastrodermis, disebut sifonoglia.
5. Porifera
Porifera bernapas dengan cara memasukkan air melalui pori-pori (ostium) yang terdapat pada seluruh permukaan tubuhnya, masuk ke dalam rongga spongocoel. Proses pernapasan selanjutnya dilakukan oleh sel leher (koanosit), yaitu sel yang berbatasan langsung dengan rongga spongocoel.
6. Mollusca
Hewan bertubuh lunak (Mollusca) yang hidup di air, seperti siput, cumi-cumi, dan kerang (Bivalvia) bernapas menggunakan insang. Perhatikan Gambar 7.12. Aliran air masuk ke dalam insang dan terjadi pertukaran udara dalam lamela insang.
No comments:
Post a Comment