BAB II KAJIAN TEORI DAN HIPOTESIS
A. Kajian Teori
3. Sumber ATP
Adenosine Triphosphate (ATP)merupakan energi untuk kontraksi otot, namun jumlah ATP dalam otot sangat terbatas dan habis terpakai, olehsebab itu ATP harus selalu tersedia. Sedangkan untuk menyediakan ATP saja diperlukan energi, sehingga harus ada mekanisme untuk dapat memenuhi kebutuhan energi, mekanisme ini dikenal sebagai resintesa ATP dari ADP dan Pi. Ada tiga proses untuk memproduksi ATP menurut (Foss, Merle L., and Keteyian, Steven J, 1998:14) yaitu : (1) Sistem ATP-PC (Phosphagen system).
Dalam sistem ini resintesa ATP hanya berasal dari suatu persenyawaan phosphocreatine
(PC); (2) Glikolisis Anaerobik atau sistem asam laktat. Sistem ini menyediakan ATP berasal dari pemecahan glukosa atau glikogen; (3). Sistem Aerobik atau Sistem Oksigen. Sistem ini terdiri dari dua bagian. Bagian A merupakan penyelesaian dari oksidasi karbohidrat. Bagian B merupakan penyelesaian dari oksidasi lemak. Kedua sistem ini perjalanan oksidasinya berakhir melalui siklus kreb's.
a. Sistem ATP-PC (Adenosine Triphosphate – Phospho Creatine)
Sistem ATP-PC disebut juga sistem phosphagen, karena ATP dan PC terdiri dari kelompok posfat. Posfokreatin dan ATP sama-sama disimpan dalam sel otot. Kesamaan antara ATP dan PC adalah ; apabila kelompok posfat ini pecah, maka sejumlah energi dikeluarkan. Hasil akhir dari pemecahan PC ini adalah keratin (C = creatin) dan posfat inorganic (Pi). Energi ini dipergunakan untuk resintesis ATP. ATP dipecah pada saat kontraksi otot berlangsung, kemudian dibentuk kembali dari ADP + Pi oleh
commit to user
adanya energi yang berasal dari pemecahan simpanan PC. Rangkaian reaksi sistem ATP-PC (phosphagen) tersebut, yaitu:
PC Pi + C + Energi. Energi +ADP + Pi ATP.
(Fox, Edward L., Bowers, Richard W., dan Foss, Merle L, 1988:16)
Sistem energi ini (ATP-PC) sangat penting bagi olahraga yang membutuhkan kecepatan dan power, seperti renang jarak 50 meter, dimana atlet harus mampu menyelesaikan jarak renangannya dengan secepat-cepatnya, demikian juga dengan olahraga lain yang membutuhkan waktu yang sangat singkat dalam pelaksanaannya. Tanpa sistem posfagen, kecepatan dan daya ledak (power) tidak dapat dilaksanakan, karena kegiatan semacam itu memerlukan suplai ATP yang cepat dan bukan jumlahnya yang besar. Sistem posfagen menggambarkan penyediaan ATP yang paling cepat untuk dipergunakan oleh otot (Junusul Hairy, 1989:76). Beberapa alasan tentang kecepatan penyediaan sumber energi dari sistem posfagen ini, seperti yang di utarakan oleh, (Fox, Edward L., Bowers, Richard W., and Foss, Merle L, 1988:17) sebagai berikut :
-Sistem posfagen tidak tergantung pada rangkaian reaksi kimia yang panjang -Sistem posfagen tidak tergantung kapada transport oksigen ke otot yang
sedang bekerja, dan
-ATP dan PC kedua-duanya disimpan langsung didalam mekanisme kontraksi otot.
commit to user
Untuk meningkatkan penyediaan ATP dan PC dalam otot yang dipakai pada kegiatan jangka pendek seperti kebutuhan energi pada renang jarak pendek 50 meter diperlukan suatu pelatihan yang intensif seperti pelatihan interval anaerob dengan sifat-sifat sistem phosphagen . Namun kerugian dari sistem energi ATP-PC ini adalah terlalu sedikitnya simpanan bahan tersebut didalam otot. (Smith, NJ, 1983:184).
b. Sistem Glikolisis Anaerobik (Lactic Acid System)
Sistem anaerobic selain dari resintesa ATP didalam otot, adalah glikolisis anaerobik yang melibatkan pemecahan tidak sempurna dari karbohidrat (gula), menjadi asam laktat. Didalam tubuh, semua karbohidrat dikonversi menjadi gula sederhana yaitu glukosa, yang disimpan dalam hati dan otot sebagai glikogen untuk dipergunakan kemudian. Asam laktat adalah hasil dari glikolisis anaerobik. Kaitan langsung asam laktat dengan aktivitas fisik, dimana terjadi penumpukan asam laktat sebelum atlet menghentikan kegiatannya yang disebabkan oleh kelelahan yang berat. Jadi atlet menghentikan kegiatan yang sedang dilakukan karena menderita kelelahan berat yang disebabkan oleh menumpuknya asam laktat. Pada pelatihan yang berat energi yang diperlukan melebihi kecepatan suplai oksigen, hydrogen bersama nikotinamida adenindinukleotida (NAD+) tidak dapat diproses melalui rantai pernafasan. Pengeluaran energi anaerobic secara terus-menerus didalam glikolisis tergantung pada adanya NAD+ untuk oksidasi. Sistem ini lebih rumit daripada sistem posfagen. Apabila asam laktat terbentuk didalam otot, asam laktat dengan cepat berdifusi ke
commit to user
dalam darah dan meninggalkan tempat metabolisme energi. Bagaimanapun juga karena asam laktat di dalam darah dan otot meningkat, maka kecepatan regenerasi ATP tidak dapat mengimbangi kecepatan pemakaiannya, hal ini menyebabkan terjadinya kelelahan. Kelelahan diperantarai oleh meningkatnya keasaman, agar enzim-enzim yang terlibat dalam transfer energi tidak aktif. Kerugian dari sistem ini adalah dalam proses ini akan menghasilkan asam laktat yang akan tertimbun dalam otot dan darah, sehingga dapat menimbulkan gejala kelelahan. (Smith, NJ, 1983:184). Asam laktat tidak boleh dianggap sebagai limbah metabolisme, karena asam laktat merupakan sumber energi kimia yang sangat bermanfaat dan tetap disimpan dalam tubuh selama pelatihan berat. Apabila persediaan oksigen telah mencikupi kembali, seperti pada saat pulih asal (recovery) atau pada saat intensitas latiihan dikurangi, hydrogen terikat ke asam laktat dan diangkut oleh NAD+ dan akhirnya dioksidasi. Akibatnya asam laktat telah siap untuk di konversi kembali menjadi asam piruvat dan dipergunakan sebagai sumber energi, selanjutnya energi potensial dalam asam laktat dan asam piruvat yang dibentuk dalam otot selama pelatihan dapat dilestarikan/disimpan dan kerangka karbon dari molekul-molekul ini digunakan untuk sintesis glukosa dan proses ini dinamakan proses glukoneogenesis yang terjadi di dalam daur corl. Daur ini tidak hanya sebagai alat untuk mengangkut asam laktat, tetapi juga memperbesar glukosa darah dan glukosa otot. Selama glikolisis anaerobik, hanya beberapa mol ATP yang dapat diresintesa dari glikogen, jika dibandingkan
commit to user
dengan adanya oksigen. Melalui glikolisis anaerobic hanya 2 atao 3 mol ATP yang dapat diresintesis dari pemecahan dari 1 mol, atau 180 gram glikogen otot sedangkan kalau dengan bantuan adanya oksigen akan menghasilkan 39 mol ATP. (Foss, Merle L., and Keteyian, Steven J, 1998:18). Proses glikolisis anaerobic lactic acid memiliki ciri-ciri sebagai berikut :
-Proses glikolisis menyebabkan terbentuknya asam laktat yang dapat menyebabkan kelelahan otot.
-Proses glikolisis tidak memerlukan oksigen
-Proses glikolisis hanya menggunakan karbohidrat (glikogen dan glukosa) -Proses glikolisis melepaskan energi yang hanya cukup untuk resintesa
ATP dalam jumlah sedikit.
Proses resintesis ATP melalui glikolisis anaerobic sebagai berikut : (C6H12O6)n 2C3H6O3 + Energi
(glycogen) (lactic acid)
Energi + 3ADP + 3 Pi 3 ATP
Glikolisis anaerobic, seperti halnya sistem posphagen benar-benar sangat penting bagi atlet selama melakukan pelatihan inti atau pada waktu pertandingan, karena glikolisis anaerobic relatif cepat mensuplai ATP. c. Sistem Aerobik atau Sistem Oksigen.
Suatu sistem yang dapat membentuk ATP yang secara terus-menerus dihasilkan dari zat gizi terutama karbohidrat dan lemak dengan bantuan adanya oksigen adalah sistem aerob. Proses yang teratur ini memungkinkan seseorang melakukan aktivitas tanpa rasa lelah dan ini merupakan dasar dari
commit to user
kebutuhan energi yang meningkat dalam event-event cabang olahraga jangka waktu yang lama. Program pelatihan yang tepat akan dapat meningkatkan kapasitas dari produksi energi aerob ini.
Aktivitas dengan intensitas rendah yang dilakukan lebih dari satu menit, memungkinkan oksigen digunakan untuk membantu memproduksi ATP untuk kontraksi otot. Efektifitas penggunaan oksigen tergantung pada sumber bahan karbohirat, lemak dan glikogen dalam otot. Makin lama aktivitas dilakukan suplai oksigen makin penting dan sumber bahan bakar karbohirat dan lemak menjadi sangat penting. Olahraga ketahanan yang tidak memerlukan gerakan yang cepat, pembentukan ATP terjadi dengan metabolism aerob. Apabila cukup oksigen, maka 1 mol glikogen dipecah secara sempurna menjadi CO2 dan H2O, serta akan menghasilkan energi yang cukub untuk resintesa 39 mol ATP. Reaksi tersebut diperlukan beratus-ratus reaksi kimia serta pertolongan berates-ratus enzim, dengan demikian sistem aerobik ini lebih rumit dari sistem anaerobic. Glikolisis aerob ini meski terjadi di dalam sel, tetapi tidak dapat digunakan dengan cepat karena membutuhkan proses yang panjang. Reaksi kimia aerob ini terjadi di dalam “mitochondria”. Secara umum, pembentukan ATP didalam
mitokondria merupakan hasil dari pemecahan glukosa atau asam lemak (glyserol) secara aerobic menjadi asam piruvat hingga proses akhir berupa transport electron. Sebelum melangkah lebih jauh dalam pembahasan perlu diketahui tentang beberapa istilah kimia berikut: Acetyl, Acetyl-CoA, NAD+, NADH, FAD+, dan FADH2. Acetyl merupakan kumpulan dari dua
commit to user
molekul karbon. Contoh dalam pemecahan karbohidrat, asam piruvat kehilangan CO2 menjadi Asetyl yang berkombinasi dengan ko enzim A membentu acetyl-CoA sebelum memasuki siklus krebs. Begitu juga, dalam metabolisme asam lemak, dua kelompok asetyl dibutuhkan dalam proses beta-oksidasi dan kemudian memasuki siklus krebs. Sedangkan, metabolisme asam amino lebih kompleks lagi karena hanya beberapa dari asam pemecahan asam amino yang dapat memasuki siklus krebs. NAD+ ,(nicotinamide adenine dinucleotide) dan FAD+ (flavin adenine dinucleotide) merupakan reseptor hydrogen dan mengangkutnya. Sedangkan NADH dan FADH diturunkan dari NAD+ dan FAD+ yang berfungsi membawa electron ke sistem transport electron, (Fox, Edward L., Bowers, Richard W., and Foss, Merle L, 1993 :21).
Pada dasarnya terdapat beberapa reaksi sistem aerobik yang terjadi di dalam
mitokondria, yaitu: (a) Aerobic glycolysis, (b) The Krebs Cycle, dan (c)
Electron Transport Sistem (ETS). (Foss, Merle L., and Keteyian, Steven J, 1998:20).
1). Glikolisis Aerob (Aerobic Glycolysis)
Reaksi pertama adalah pemecahan glikogen menjadi CO2 dan H2O disebut glikolisis. Pada dasarnya, hanya terdapat satu perbedaan antara proses glikolisis anaerob dengan aerob, yaitu pada glikolisis aerob tidak terjadi akumulasi asam laktat. Dengan kata lain, terdapatnya oksigen menghambat terbentuknya asam laktat, tetapi tidak terjadi proses pembentukan kembali ATP. Dalam glikolisis aerob, 1 mol glikogen
commit to user
dipecah menjadi 2 mole asam piruvat, yang melepakan cukup energi untuk menghasilkan 3 mol ATP. Secara singkat dapat dituliskan dalam rumus kimia berikut:
C6H12O6)n 2C3H4O3 + Energi (glycogen) (pyruvic acid)
Energi + 3 ADP + 3 Pi 3ATP Selanjudnya, 2 NAD+ diubah menjadi 2 NADH, yang dialihkan kepada sistem taransport electron dalam mitokondria di mana 6 ATP lagi dihasilkan (3 untuk setiap NADH). (Foss, Merle L., and Keteyian, Steven J, 1998:20).
2). Siklus Krebs (The Krebs Cycle)
Tahap selanjutnya, asam pyruvat yang terbentuk selama glikolisis aerob mengalir kedalam mitokondria dan terus dipecahkan dalam serangkaian reaksi yang disebut siklus krebs (siklus ini juga disebut sebagai
tricarboxylic acid (TCA) cycles). (Foss, Merle L., and Keteyian, Steven J, 1998:20).
Reaksi ini terjadi di dalam matrik mitokondria. Siklus Krebs adalah tahapan selanjutnya dari respirasi seluler. Siklus Krebs adalah reaksi antara asetil ko-A dengan asam oksaloasetat, yang kemudian membentuk asam sitrat. Siklus Krebs disebut juga dengan siklus asam sitrat, karena menggambarkan langkah pertama dari siklus tersebut, yaitu penyatuan asetil ko-A dengan asam oksaloasetat untuk membentuk asam sitrat.
commit to user
Gambar 13. Siklus Krebs
http://metabolismelink.freehostia.com/sikluskrebs_te.htm#krebs, (diunduh 10 Oktober 2010)
Pertama-tama, asetil ko-A hasil dari reaksi antara (dekarboksilasi oksidatif) masuk ke dalam siklus dan bergabung dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat. Setelah "mengantar" asetil masuk ke dalam siklus Krebs, ko-A memisahkan diri dari asetil dan keluar dari siklus. Kemudian, asam sitrat mengalami pengurangan dan penambahan satu molekul air sehingga terbentuk asam isositrat. Lalu, asam isositrat mengalami oksidasi dengan melepas ion H+, yang kemudian mereduksi NAD+ menjadi NADH, dan melepaskan satu molekul CO2 dan membentuk asam a-ketoglutarat (asam alpha ketoglutarat). Setelah itu, asam a-ketoglutarat kembali melepaskan satu molekul CO2, dan
commit to user
teroksidasi dengan melepaskan satu ion H+ yang kembali mereduksi NAD+ menjadi NADH. Selain itu, asam a-ketoglutarat mendapatkan tambahan satu ko-A dan membentuk suksinil ko-A. Setelah terbentuk suksinil ko-A, molekul ko-A kembali meninggalkan siklus, sehingga terbentuk asam suksinat. Pelepasan ko-A dan perubahan suksinil ko-A menjadi asam suksinat menghasilkan cukup energi untuk menggabungkan satu molekul ADP dan satu gugus fosfat anorganik menjadi satu molekul ATP. Kemudian, asam suksinat mengalami oksidasi dan melepaskan dua ion H+, yang kemudian diterima oleh FAD dan membentuk FADH2, dan terbentuklah asam fumarat. Satu molekul air kemudian ditambahkan ke asam fumarat dan menyebabkan perubahan susunan (ikatan) substrat pada asam fumarat, karena itu asam fumarat berubah menjadi asam malat. Terakhir, asam malat mengalami oksidasi dan kembali melepaskan satu ion H+, yang kemudian diterima oleh NAD+ dan membentuk NADH, dan asam oksaloasetat kembali terbentuk. Asam oksaloasetat ini kemudian akan kembali mengikat asetil ko-A dan kembali menjalani siklus Krebs. Dari siklus Krebs ini, dari setiap molekul glukosa akan dihasilkan 2 ATP, 6NADH, 2 FADH2, dan 4 CO2. Selanjutnya, molekul NADH dan FADH2 yang terbentuk akan menjalani rangkaian terakhir respirasi aerob, yaitu rantai transpor elektron.
commit to user
3). Sistem Transport Elektron (The Electron Transport System)
Setelah siklus asam sitrat selesai maka proses selanjutnya adalah sistem transpor electron (ETS). Rantai transpor elektron adalah tahapan terakhir dari reaksi respirasi aerob. Transpor elektron sering disebut juga sistem rantai respirasi atau sistem oksidasi terminal. Transpor elektron berlangsung pada krista (membran dalam) dalam mitokondria. Molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan FADH2, yang dihasilkan pada reaksi glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs. Selain itu, molekul lain yang juga berperan adalah molekul oksigen, koenzim Q (Ubiquinone), sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom a.
Gambar 14. Sistem Transport Elektron
http://metabolismelink.freehostia.com/sikluskrebs_te.htm#krebs, (diunduh 10 Oktober 2010)
commit to user
Pertama-tama, NADH dan FADH2 mengalami oksidasi dan elektron berenergi tinggi yang berasal dari reaksi oksidasi ini ditransfer ke
koenzim Q. Energi yang dihasilkan ketika NADH dan
FADH2 melepaskan elektronnya cukup besar untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Kemudian koenzim Q dioksidasi oleh sitokrom b. Selain melepaskan elektron, koenzim Q juga melepaskan 2 ion H+. Setelah itu sitokrom b dioksidasi oleh sitokrom c. Energi yang dihasilkan dari proses oksidasi sitokrom b oleh sitokrom c juga menghasilkan cukup energi untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik menjadi ATP. Kemudian sitokrom c mereduksi sitokrom a, dan ini merupakan akhir dari rantai transpor elektron. Sitokrom a ini kemudian akan dioksidasi oleh sebuah atom oksigen, yang merupakan zat yang paling elektronegatif dalam rantai tersebut, dan merupakan akseptor terakhir elektron. Setelah menerima elektron dari sitokrom a, oksigen ini kemudian bergabung dengan ion H+ yang dihasilkan dari oksidasi koenzim Q oleh sitokrom b membentuk air (H2O). Oksidasi yang terakhir ini lagi-lagi menghasilkan energi yang cukup besar untuk dapat menyatukan ADP dan gugus fosfat organik menjadi ATP. Jadi, secara keseluruhan ada tiga tempat pada transpor elektron yang menghasilkan ATP. Sejak reaksi glikolisis sampai siklus Krebs, telah dihasilkan NADH dan FADH2 sebanyak 10 dan 2 molekul. Dalam transpor elektron ini, kesepuluh molekul NADH dan kedua molekul FADH2 tersebut mengalami oksidasi sesuai reaksi berikut. :
commit to user
10 NADH + 5 O2 10 NAD+ + 10 H2O 2 FADH2 + O2 2 FAD + 2H2O
Setiap oksidasi NADH menghasilkan kira-kira 3 ATP, dan kira-kira 2 ATP untuk setiap oksidasi FADH2. Jadi, dalam transpor elektron dihasilkan kira-kira 34 ATP. Ditambah dari hasil glikolisis dan siklus Krebs, maka secara keseluruhan reaksi respirasi seluler menghasilkan total 38 ATP dari satu molekul glukosa. Akan tetapi, karena dibutuhkan 2 ATP untuk melakukan transpor aktif, maka hasil bersih dari setiap respirasi seluler adalah 36 ATP.