Pada saat kita melakukan aktivitas, misalnya berolahraga, dalam tubuh terjadi pembakaran glukosa atau lemak menjadi energi atau panas. Pemecahan glukosa, lemak atau bahan makanan lain yang menghasilkan energi atau panas disebut katabolisme. Dengan kata lain, katabolisme dapat diartikan sebagai proses pemecahan senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan menghasilkan sejumlah energi. Katabolisme bersifat eksoterm dan eksergonik.
a. Respirasi
Respirasi adalah proses dekomposisi, baik menggunakan oksigen maupun tanpa oksigen dari senyawa organik kompleks menjadi senyawa lebih sederhana dan dalam proses tersebut dibebaskan sejumlah energi. Respirasi yang memerlukan oksigen disebut respirasi aerob dan respirasi yang tidak
memerlukan oksigen disebut respirasi anaerob. Bila tidak tersedia oksigen, organisme dapat melakukan respirasi anaerob. Sementara itu, terdapat respirasi sempurna yang hasil akhirnya berupa CO2 dan H2O dan respirasi tidak sempurna yang hasil akhirnya berupa senyawa organik.
1. Respirasi Aerob
Respirasi aerob yaitu respirasi yang melibatkan O2 sebagai akseptor elektron terakhir. Berdasarkan jalur reaksinya, respirasi aerob terdiri dari empat tahap yaitu glikolisis, pembentukan asetil Co-A, daur Krebs, dan sistem transpor elektron.
a) Glikolisis
Glikolisis yaitu pemecahan glukosa beratom karbon 6 menjadi asam piruvat beratom karbon 3. Glikolisis terjadi dalam sitoplasma. Selain menghasilkan 2 molekul asam piruvat, dalam glikolisis juga dihasilkan 2 molekul NADH dan 2 ATP jika tumbuhan dalam keadaan normal (melalui jalur ATP fosfofruktokinase) atau 3 ATP jika tumbuhan dalam keadaan stres atau sedang aktif tumbuh (melalui jalur pirofosfat fosfofruktokinase). ATP yang dihasilkan dalam reaksi glikolisis dibentuk
melalui reaksi fosforilasi tingkat substrat.
b) Dekarboksilasi Oksidatif
Asam piruvat bereaksi dengan Co-A (coenzym-A) membentuk asetil Co-A dan melepaskan CO2 sehingga disebut dekarbosilasi. Tahap ini disebut reaksi transisi karena menghubungkan glikolisis dengan daur Krebs, berlangsung di matriks mitokondria untuk organisme eukariotik, sedangkan pada organisme prokariotik berlangsung dalam sitosol. Hasil akhir dekarboksilasi oksidatif adalah 2 asetil Co-A, 2 NADH, dan 2 CO2.
c) Daur Krebs/Daur Asam Sitrat
Daur Krebs terjadi di dalam matriks mitokondria. Daur Krebs menghasilkan senyawa antara yang berfungsi sebagai penyedia kerangka karbon untuk sintesis senyawa lain. Selain sebagai penyedia kerangka karbon, daur Krebs juga menghasilkan 3 NADH, 1 FADH2, dan 1 ATP untuk setiap satu asam piruvat. Senyawa NADH dan FADH2 selanjutnya akan dioksidasi dalam sistem transpor elektron untuk menghasilkan ATP. Oksidasi 1 NADH menghasilkan 3 ATP, sedangkan oksidasi 1 FADH2 menghasilkan 2 ATP. ATP yang dihasilkan pada tahap ini dibentuk melalui fosforilasi tingkat substrat.
d) Sistem Transpor Elektron/Rantai Respirasi
Sistem transpor elektron merupakan suatu rantai pembawa elektron yang terdiri atas NAD, FAD, koenzim Q, dan sitokrom. Sistem transpor elektron terjadi di bagian membran dalam mitokondria (kristae). Sistem transpor elektron ini berfungsi untuk mengoksidasi senyawa NADH dan FADH2 untuk menghasilkan ATP. Jumlah ATP yang dihasilkan dari oksidasi 10 NAOH dan 2 FADH2 adalah 3 ATP, melalui fosforilasi oksidasi.
2. Respirasi Anaerob
Beberapa organisme dalam respirasi tidak memerlukan oksigen atau disebut bersifat anaerob. Diantara makhluk anaerob tersebut kehadiran oksigen menjadi toksik untuknya, organisme demikian disebut anaerob obligat. Sebagian besar diantara anaerob akan bersifat aerob jika oksigen tersedia dan anaerob jika O2 tidak ada, organisme ini disebut fakultatif anaerob.
Pada umumnya sel-sel organisme dapat melangsungkan respirasi anaerob setidaknya untuk waktu singkat yaitu saat tubuh memerlukan energi yang banyak. Ketidakadaan oksigen menyebabkan siklus Krebs dan rantai transpor elektron tidak dapat berlangsung, sehingga asam piruvat yang terbentuk di sitoplasma akan difermentasi menjadi alkohol atau asam laktat.
b. Fermentasi
Penguraian senyawa organik oleh enzim yang dihasilkan oleh mikroba yang berlangsung secara aerob atau anerob.
1. Fermentasi Alkohol
Pada fermantasi alkohol asam piruvat mengalami dekarbolisasi menjadi asetaldehid (etanal) dan dibebaskan 1 molekul CO2. Selanjutnya asetaldehid direduksi oleh NADH menjadi etanol.
Fermentasi alkohol terjadi pada sel ragi Saccharomyces cerevisiae.
2. Fermentasi Asam Laktat
Asam piruvat menerima hidrogen dari NADH secara langsung membentuk laktat.
Fermentasi asam laktat (disebut juga asam susu) terjadi pada sel-sel hewan termasuk manusia yang bekerja terlalu berat.
Fermentasi ini menyebabkan penimbunan asam laktat sehingga menyebabkan rasa pegal atau kelelahan.
Tidak seperti alkohol, asam laktat dapat dirombak kembali menjadi glukosa jika oksigen tersedia kembali. Proses ini disebut glukoneogenesis.
3. Fermentasi Asam Cuka
Fermentasi asam cuka adalah fermentasi yang bersifat aerob dengan reaksi sebagai berikut.
Fermentasi asam cuka merupakan fermentasi yang berlangsung secara aerob. Fermentasi ini terjadi pada bakteri Acetobacter aceti dengan bahan baku etanol.