Pengertian Metabolisme dan Macamnya

Pengertian Metabolisme dan Macamnya

Pengertian Metabolisme dan Macamnya - Setelah berlari selama satu jam, sekujur tubuh seorang atlet lari marathon akan dipenuhi dengan keringat. Jantungnya masih berdenyut kencang disertai aliran darah yang mengalir cepat. Suhu tubuhnya meningkat. Selain itu, napasnya pun akan tersengal-sengal untuk mengambil oksigen sebanyak-banyaknya.

Mengapa tubuh atlet tersebut keluar keringat dan napasnya tersengal-sengal ketika melakukan lari marathon? Berasal dari manakah keringat tersebut? Seperti yang kalian ketahui, keringat merupakan usaha tubuh untuk melepaskan panas sebagai hasil metabolisme sehingga suhu tubuh menjadi stabil.

Metabolisme tidak hanya dilakukan oleh manusia, tetapi juga dilaku- kan oleh semua makhluk hidup ciptaan Tuhan Yang Maha Esa.

Pengertian Metabolisme

Dengan mempelajari metabolisme, kalian akan memahami mengapa makhluk hidup membutuhkan makanan dan air sebagai kebutuhan dasarnya. Selain itu, kalian akan memahami pentingnya karbohidrat, protein, dan lemak pada makanan yang kalian makan dan pengaruh pada metabolisme jika kalian mengkonsumsi salah satu bahan makanan secara  berlebih.

Selain metabolisme pada hewan dan manusia, kalian juga akan mempelajari metabolisme pada tumbuhan dan beberapa jenis bakteri, yaitu fotosintesis dan kemosintesis. Setelah mempelajari bab ini, kalian diharapkan mampu memahami materi tentang metabolisme pada makhluk hidup secara menyeluruh.

Baca juga: Pengertian Metabolisme Protein Dan Fungsinya

Motor mampu bergerak karena adanya energi. Energi yang diperoleh tersebut berasal dari bensin. Di dalam mesin motor, bensin memperoleh energi minimum untuk bereaksi menghasilkan energi dari percikan api yang dipicu oleh busi. Suhu di dalam mesin pun bisa mencapai ratusan derajat celcius.

Energi minimum yang diperlukan suatu substrat untuk bereaksi dinamakan sebagai energi aktivasi. Bagaimanakah dengan tubuh manusia atau mahluk hidup lainnya? Tentu kita tidak mampu memenuhi kebutuhan energi pemicu pada keadaan seperti di mesin.

Akan tetapi, dengan suhu yang cukup rendah, bahan makanan yang kita makan tetap mampu menghasilkan energi untuk menunjang aktivitas kita.

Ternyata, tubuh organisme menyediakan molekul berenergi dan molekul yang bisa mempercepat (mengkatalisasi) terjadinya reaksi kimia dalam tubuh. Molekul tersebut adalah ATP (Adenosin trifosfat) dan enzim.

1. Molekul Energi
Dalam banyak reaksi tubuh, perpindahan energi dilakukan bersamaan dengan dilepaskan atau dibentuknya senyawa dengan ikatan fosfat. Sumber energi utama yang mengandung senyawa fosfat adalah ATP (Adenosin trifosfat) yang memiliki 3 gugus fosfat.

Senyawa ini menjadi sumber energi langsung yang dibutuhkan oleh tubuh dalam melakukan usaha (aktivitas) karena pelepasan satu gugus fosfat akan menghasilkan energi yang besar. Pada kondisi laboratorium, satu mol ATP menghasilkan energi sebesar 7,3 kkal. ATP terdiri atas gugus adenin yang mengandung gugus nitrogen, ribosa, menghasilkan 5 molekul karbon gula, dan 3 molekul fosfat.

Untuk menghasilkan energi, ATP mengalami fosforilasi yang dibantu oleh enzim fosforilase menjadi ADP (Adenosin difosfat). Makhluk hidup yang beraktivitas, menggunakan ATP terus-menerus.

Akan tetapi, ATP tidak habis karena merupakan sumber daya yang bisa diperbarui dengan menambahkan satu gugus fosfat pada ADP. Hal ini bisa dilakukan melalui respirasi sel pada hewan. Pada tumbuhan digunakan energi cahaya untuk membentuk ATP kembali.

Dalam proses transfer energi, ada beberapa jenis molekul energi lainnya yang berperan sebagai molekul penyimpan energi, yakni NADH2, FADH, dan ATP. Semua molekul tersebut memiliki kesetaraan dengan produksi ATP. NADH setara dengan 3 ATP dan FADH setara dengan 2 ATP.

2. Enzim
Enzim merupakan protein pengkatalis. Katalis adalah agen kimiawi yang mempercepat laju reaksi tanpa mengubah struktur enzim itu sendiri. Tanpa adanya enzim, reaksi kimia pada jalur metabolisme akan terhenti.

a. Struktur Enzim
Enzim memiliki sisi aktif, yakni bagian atau tempat pada enzim yang berfungsi sebagai tempat menempelnya substrat. Kerja enzim sangat spesifik karena sisi aktif dari enzim sangat selektif terhadap bentuk kimia dari substrat yang akan dikatalisis.

Ikatan yang terbentuk antara enzim dengan substrat bersifat lemah sehingga reaksi dapat berlangsung bolak-balik. Substrat menempel pada sisi aktif enzim dan akan menghasilkan produk baru

Tubuh enzim terdiri atas beberapa bagian. Bagian utama enzim berupa protein yang disebut apoenzim. Bagian lainnya adalah bagian yang tersusun atas materi anorganik, seperti senyawa logam yang disebut gugus prostetik.

Beberapa enzim memerlukan molekul yang membantu kerja enzim menguatkan ikatan dengan substrat, yakni kofaktor. Banyak molekul logam anorganik yang berfungsi sebagai kofaktor, seperti ion logam Fe2+,  Cu2+,  dan Mg2+.

Beberapa komponen kimia enzim yang tersusun atas molekul organik nonprotein disebut koenzim. Koenzim membawa atom fungsional ketika enzim bereaksi. Contoh koenzim yang berada pada bagian gugus prostetik enzim adalah koenzim A, yang membawa sumber karbon ketika memecah piruvat dan asam lemak. Ikatan antara apoenzim dan kofaktor disebut holoenzim.

b. Sifat Enzim
Enzim bekerja dengan cara menurunkan energi aktivasi sehingga energi awal minimun untuk sebuah reaksi dapat diperkecil. Untuk memahaminya, perhatikanlah Gambar 2.3 berikut

Enzim bukanlah penambah energi awal dalam bereaksinya substrat, tetapi hanya sebagai pengikat sementara sehingga reaksi dapat berlangsung pada keadaan di bawah energi aktivasinya. Hal ini menyebabkan reaksi akan berjalan lebih cepat.

Enzim merupakan protein yang dapat terdenaturasi (struktur dan sifatnya berubah) oleh suhu, pH, atau logam berat.

Baca Ciri ciri makhluk hidup

Empat sifat umum enzim sebagai berikut.
1) Enzim bukanlah penyebab reaksi, namun enzim hanya mempercepat reaksi. Tanpa adanya enzim, suatu reaksi tetap dapat terjadi. Akan tetapi, diperlukan energi yang besar dan berlangsung sangat   lambat.

2) Enzim tidak berubah secara permanen atau habis bereaksi. Enzim yang sama dapat digunakan berulang-ulang.

3) Enzim yang sama dapat digunakan untuk reaksi kebalikannya. Suatu enzim dapat mengubah substrat A menjadi molekul B dan C. Enzim yang sama dapat bekerja sebaliknya membentuk substrat A dari molekul B dan C

4) Setiap jenis enzim hanya bekerja pada zat tertentu  saja.

c. Cara  Kerja Enzim
Terdapat dua teori yang menerangkan cara kerja enzim, yakni teori lock and key dan teori induced fit. Teori lock and key menganalogikan mekanisme kerja enzim seperti kunci dengan anak kunci. Substrat masuk ke dalam sisi aktif enzim. Jadi, sisi aktif enzim seolah-olah kunci dan substrat adalah anak kunci.

Adapun teori induced fit mengemukakan bahwa setiap molekul substrat memiliki permukaan yang hampir pas dengan permukaan sisi aktif enzim. Jika substrat masuk ke dalam sisi aktif enzim, akan terbentuk kompleks enzim substrat yang pas (Keeton and Gould, 1986: 79). Perhatikan gambar   berikut.

d. Penamaan Enzim
Penamaan enzim umumnya disesuaikan dengan substrat yang diuraikan, lalu dibubuhi akhiran ase. Sebagai contoh, enzim amilase menguraikan amilum menjadi maltosa di mulut. Enzim lipase bekerja menguraikan lipid (lemak) menjadi asam lemak.

f. Faktor yang Memengaruhi Kerja Enzim
Seperti halnya protein yang lain, sifat enzim sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungannya. Kondisi yang tidak sesuai dapat menyebabkan kerja enzim terganggu. Berikut adalah beberapa faktor yang memengaruhi kerja enzim.

1) Temperatur
Enzim memiliki rentang temperatur tertentu agar dapat bereaksi dengan optimal. Pada temperatur yang tinggi, enzim akan rusak (terdenaturasi) sebagai sifat umum dari protein. Pada kondisi ini, struktur enzim sudah berubah dan rusak sehingga tidak dapat digunakan lagi. Adapun pada temperatur yang rendah, enzim berada pada kondisi inaktif (tidak aktif).

Enzim akan bekerja kembali dengan adanya kenaikan temperatur yang sesuai. Semua enzim memiliki kondisi temperatur yang spesifik untuk bekerja optimal. Enzim memiliki kecenderungan semakin meningkat seiring dengan kenaikan temperatur hingga pada batas tertentu. Setelah itu, enzim kembali mengalami penurunan kinerja.

Pada saat kerja enzim optimal maka dapat dikatakan bahwa pada temperatur tersebut temperatur optimum.

2) pH
Seperti halnya temperatur, pH dapat memengaruhi optimasi kerja enzim. Setiap enzim bekerja pada kondisi pH yang sangat spesifik. Hal ini berkaitan erat dengan lokasi enzim yang bekerja terhadap suatu substrat. Pada umumnya, enzim akan bekerja optimum pada pH 6-8.

Perubahan pH lingkungan akan mengakibatkan terganggunya ikatan hidrogen yang ada pada struktur enzim. Jika enzim berada pada kondisi pH yang tidak sesuai, enzim dapat berada pada keadaan inaktif. Dengan adanya kondisi pH yang spesifik ini, enzim tidak akan merusak sel lain yang berada di sekitarnya.

Contohnya, enzim pepsin yang diproduksi pankreas untuk mencerna protein dalam lambung, tidak akan mencerna protein yang ada di dinding pankreas karena enzim pepsin bekerja pada pH 2-4.

Pengertian Metabolisme Karbohidrat - Keseluruhan reaksi kimia di dalam tubuh organisme yang melibatkan perubahan energi disebut metabolisme. Sebagai makhluk hidup, energi bisa dihasilkan dari sebuah proses, atau suatu proses justru memerlukan energi.

Pada umumnya, energi dilepaskan ketika tubuh organisme mencerna molekul kompleks menjadi molekul yang sederhana. Proses tersebut dinamakan katabolisme. Adapun proses pembentukan senyawa kompleks dari unsur-unsur penyusunnya dan reaksi tersebut memerlukan energi dinamakan anabolisme.

Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme merupakan reaksi penguraian atau pemecahan senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana untuk menghasilkan energi. Proses katabolisme yang terjadi pada makhluk hidup dibedakan menjadi respirasi aerob dan respirasi anaerob. Apakah yang membedakan respirasi aerob dengan respirasi anaerob?

Berdasarkan perubahan energinya, reaksi kimia bisa dibedakan menjadi reaksi eksergonik dan reaksi endergonik. Pada reaksi eksergonik, terjadi pelepasan energi. Katabolisme merupakan reaksi eksergonik. Jika energi yang dilepaskan berupa panas, disebut reaksi eksoterm.

Adapun pada reaksi endergonik, terjadi penyerapan energi dari lingkungan. Anabolisme termasuk reaksi endergonik karena memerlukan energi. Jika energi yang digunakan dalam bentuk panas, disebut reaksi endoterm.

a. Respirasi  Aerob
Respirasi bertujuan menghasilkan energi dari sumber nutrisi yang dimiliki. Semua makhluk hidup melakukan respirasi dan tidak hanya berupa pengambilan udara secara langsung. Respirasi dalam kaitannya dengan pembentukan energi dilakukan di dalam sel.

Oleh karena itu, prosesnya dinamakan respirasi sel. Organel sel yang berfungsi dalam menjalankan tugas pembentukan energi ini adalah mitokondria.

Respirasi termasuk ke dalam kelompok katabolisme karena di dalamnya terjadi penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana, diikuti dengan pelepasan energi. Energi yang kita gunakan bisa berasal dari hasil metabolisme tumbuhan. Oleh karena itu, tumbuhan merupakan organisme autotrof, yang berarti dapat memproduksi makanan sendiri.

Adapun konsumen, seperti hewan dan manusia, yang tidak dapat menyediakan makanan sendiri disebut organisme  heterotrof.

Proses respirasi erat kaitannya dengan pembakaran bahan bakar berupa makanan menjadi energi. Kondisi optimal akan tercapai dalam kondisi aerob (ada oksigen).

Pembentukan energi siap pakai akan melalui beberapa tahap reaksi dalam sistem respirasi sel pada mitokondria. Menurut Campbell, et al, (2006:  93)  reaksi-reaksi  tersebut, yaitu:
1) glikolisis, yakni proses pemecahan glukosa menjadi asam  piruvat;
2) dekarboksilasi oksidatif asam piruvat, yakni perombakan asam piruvat menjadi asetil Co-A;
3) daur asam sitrat, yakni siklus perombakan asetil Ko-A menjadi akseptor elektron dan terjadi pelepasan sumber  energi;
4) transfer elektron, yakni mekanisme pembentukan energi terbesar dalam proses respirasi sel yang menghasilkan produk sampingan berupa  air.

1) Glikolisis
Tahap ini merupakan awal terjadinya respirasi sel. Molekul glukosa akan masuk ke dalam sel melalui proses difusi. Agar dapat bereaksi, glukosa diberi energi aktivasi berupa satu ATP. Hal ini mengakibatkan glukosa dalam keadaan terfosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat yang dibantu oleh enzim heksokinase.

Secara singkat, glukosa-6-fosfat dipecah menjadi 2 buah molekul gliseraldehid-3-fosfat (PGAL) dengan bantuan satu ATP dan enzim fosfoheksokinase. Proses selanjutnya merupakan proses eksergonik. Hasilnya adalah 4 molekul ATP dan hasil akhir berupa 2 molekul asam piruvat (C3).

Walaupun empat molekul ATP dibentuk pada tahap glikolisis, namun hasil reaksi keseluruhan adalah dua molekul ATP. Ada dua molekul ATP yang harus diberikan pada fase awal glikolisis. Tahap glikolisis tidak memerlukan oksigen.

2) Dekarboksilasi Oksidatif
Setiap asam piruvat yang dihasilkan kemudian akan diubah menjadi Asetil-KoA (koenzim-A). Asam piruvat ini akan mengalami dekarboksilasi sehingga gugus karboksil akan hilang sebagai CO2 dan akan berdifusi keluar sel. Dua gugus karbon yang tersisa kemudian akan mengalami oksidasi sehingga gugus hidrogen dikeluarkan dan ditangkap oleh akseptor elektron NAD+.

Gugus yang terbentuk, kemudian ditambahkan koenzim-A sehingga menjadi asetil-KoA. Hasil akhir dari proses dekarboksilasi oksidatif ini akan menghasilkan 2 asetil-KoA dan 2 molekul NADH. Pembentukan asetil-KoA memerlukan kehadiran vitamin B1. Berdasarkan hal tersebut, dapat diketahui betapa pentingnya vitamin B dalam tubuh hewan maupun tumbuhan

3) Daur Asam Sitrat
Proses selanjutnya adalah daur asetil-KoA menjadi beberapa bentuk sehingga dihasilkan banyak akseptor elektron. Selain disebut sebagai daur asam sitrat, proses ini disebut juga daur Krebs. Hans A. Krebs adalah orang yang pertama kali mengamati dan menjelaskan fenomena ini pada tahun 1930.

Setiap tahapan dalam daur asam sitrat dikatalis oleh enzim yang khusus. Berikut adalah beberapa tahapan yang terjadi dalam daur asam sitrat.

a) Asetil-KoA akan menyumbangkan gugus asetil pada oksaloasetat sehingga terbentuk asam sitrat. Koenzim A akan dikeluarkan dan digantikan dengan penambahan molekul air.

b) Perubahan formasi asam sitrat menjadi asam isositrat akan disertai pelepasan air.

c) Asam isositrat akan melepaskan satu gugus atom C dengan bantuan enzim asam isositrat dehidrogenase, membentuk asam α-ketoglutarat. NAD+ akan mendapatkan donor elektron dari hidrogen untuk membentuk NADH. Asam α-ketoglutarat selanjutnya diubah menjadi suksinil KoA.

d) Asam suksinat tiokinase membantu pelepasan gugus KoA dan ADP mendapatkan donor fosfat menjadi ATP. Akhirnya, suksinil-KoA berubah menjadi asam suksinat.

e) Asam suksinat dengan bantuan suksinat dehidrogenase akan berubah menjadi asam fumarat disertai pelepasan satu gugus elektron. Pada tahap ini, elektron akan ditangkap oleh akseptor FAD menjadi FADH2.

f) Asam Fumarat akan diubah menjadi asam malat dengan bantuan enzim fumarase.
g) Asam malat akan membentuk asam oksaloasetat dengan bantuan enzim asam malat dehidrogenase. NAD+ akan menerima sumbangan elektron dari tahap ini dan membentuk NADH.

h) Dengan terbentuknya asam oksaloasetat, siklus akan dapat dimulai lagi dengan sumbangan dua gugus karbon dari asetil KoA.

4) Transfer Elektron
Selama tiga proses sebelumnya, dihasilkan beberapa reseptor elektron yang bermuatan akibat penambahan ion hidrogen. Reseptor-reseptor ini kemudian akan masuk ke transfer elektron untuk membentuk suatu molekul berenergi  tinggi,  yakni ATP.

Reaksi ini berlangsung di dalam membran mitokondria. Reaksi ini berfungsi membentuk energi selama oksidasi yang dibantu oleh enzim pereduksi. Transfer elektron merupakan proses kompleks yang melibatkan NADH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide), FAD (Flavin Adenine Dinucleotide), dan molekul-molekul lainnya.

Dalam pembentukan ATP ini, ada akseptor elektron yang akan memfasilitasi pertukaran elektron dari satu sistem ke sistem lainnya.

• Enzim dehidrogenase mengambil hidrogen dari zat yang akan diubah oleh enzim (substrat). Hidrogen mengalami ionisasi sebagai berikut.

Proton hidrogen mereduksi koenzim NAD melalui reaksi NAD + H+‹
NADH + H+. NADH dari matriks mitokondria masuk ke ruang intermembran melewati membran dalam, kemudian memasuki sistem rantai pernapasan.

• NADH dioksidasi menjadi NAD+ dengan memindahkan ion hidrogen kepada flavoprotein (FP), flavin mononukleotida (FMN), atau FAD yang bertindak sebagai pembawa ion hidrogen. Dari flavoprotein atau FAD, setiap proton atau hidrogen dikeluarkan ke matriks sitoplasma untuk membentuk molekul H2O.

• Elektron akan berpindah dari ubiquinon ke protein yang mengandung besi dan sulfur (FeSa dan FeSb) ‹ sitokrom b ‹ koenzim quinon ‹ sitokrom b2 sitokrom o ‹ sitokrom c ‹ sitokrom a ‹ sitokrom a3, dan terakhir diterima oleh molekul oksigen sehingga terbentuk H2O

Di dalam rantai pernapasan, 3 molekul air (H2O) dihasilkan melalui NADH dan 1 molekul H2O dihasilkan melalui FAD. Satu mol H2O yang melalui NADH setara dengan 3 ATP dan 1 molekul air yang melalui FAD setara dengan 2 ATP

Walaupun ATP total yang tertera pada Tabel 2.1 adalah 38 ATP, jumlah total yang dihasilkan pada proses respirasi adalah 36 ATP. Hal tersebut disebabkan 2 ATP digunakan oleh elektron untuk masuk ke mitokondria.

b. Respirasi  Anaerob
Setelah berolahraga atau mengerjakan suatu pekerjaan berat, napas Anda menjadi terengah-engah karena suplai oksigen yang masuk tubuh menjadi berkurang. Tubuh mengatasi keadaan ini dengan memperpendek jalur pembentukan energi melalui proses respirasi anaerob.

Cara ini ditempuh agar tubuh tidak kekurangan pasokan energi ketika melakukan suatu aktivitas berat. Respirasi anaerob dikenal juga dengan istilah   fermentasi.

Fermentasi adalah perubahan glukosa secara anaerob yang meliputi glikolisis dan pembentukan NAD. Fermentasi menghasilkan energi yang relatif kecil dari glukosa. Glikolisis berlangsung dengan baik pada kondisi tanpa oksigen. Fermentasi dibedakan menjadi dua tipe reaksi, yakni fermentasi alkohol dan fermentasi asam  laktat.

Fermentasi alkohol maupun fermentasi asam laktat diawali dengan proses glikolisis. Pada glikolisis, diperoleh 2 NADH + H+ + 2 ATP + asam piruvat. Pada reaksi aerob, hidrogen dari NADH akan bereaksi dengan O2 pada transfer elektron. Pada reaksi anaerob, ada akseptor hidrogen permanen berupa asetildehida atau asam piruvat.

1) Fermentasi Alkohol
Pada fermentasi alkohol, asam piruvat diubah menjadi etanol atau etil alkohol melalui dua langkah reaksi. Langkah pertama adalah pembebasan CO2 dari asam piruvat yang kemudian diubah menjadi asetaldehida. Langkah kedua adalah reaksi reduksi asetaldehida oleh NADH menjadi etanol. NAD yang terbentuk akan digunakan untuk glikolisis.

Sel ragi dan bakteri melakukan respirasi secara anaerob. Hasil fermentasi berupa CO2 dalam industri roti dimanfaatkan untuk mengembangkan adonan roti sehingga pada roti terdapat  pori-pori.

2) Fermentasi Asam Laktat
Fermentasi asam laktat adalah fermentasi glukosa yang menghasilkan asam laktat. Fermentasi asam laktat dimulai dengan glikolisis yang menghasilkan asam piruvat, kemudian berlanjut dengan perubahan asam piruvat menjadi asam laktat. Pada fermentasi asam laktat, asam piruvat bereaksi secara langsung dengan NADH membentuk asam laktat. Fermentasi asam laktat dapat berlangsung ketika pembentukan keju dan yoghurt.

Pada sel otot manusia yang bersifat fakultatif anaerob, terbentuk ATP dari fermentasi asam laktat jika kondisi kandungan oksigen sangat sedikit. Pada pembentukan ATP yang berlangsung secara aerob, oksigennya berasal dari darah. Sel mengadakan perubahan dari respirasi aerob menjadi fermentasi.

Hasil fermentasi berupa asam laktat akan terakumulasi dalam otot sehingga otot menjadi kejang. Asam laktat dari darah akan diangkut ke dalam hati yang kemudian diubah kembali menjadi asam piruvat secara aerob. Fermentasi pada sel otot terjadi jika kandungan O2 rendah dan kondisi dapat pulih kembali setelah berhenti melakukan olahraga.

Anabolisme Karbohidrat

Anabolisme merupakan proses penyusunan zat dari senyawa sederhana menjadi senyawa yang kompleks. Proses tersebut berlangsung di dalam tubuh makhluk hidup. Anabolisme merupakan kebalikan dari katabolisme.

Proses anabolisme memerlukan energi, baik energi panas, cahaya, atau energi kimia. Anabolisme yang menggunakan energi cahaya disebut fotosintesis, sedangkan anabolisme yang menggunakan energi kimia disebut kemosintesis.

Berikut ini akan dijelaskan mengenai fotosintesis dan kemosintesis.

a. Fotosintesis
Jika Anda pernah memasuki suatu daerah hutan atau jalanan yang memiliki pepohonan rindang, tentu Anda akan merasa segar pada siang hari yang panas. Akan tetapi, jika Anda melewati bagian yang telah gundul atau tidak terdapat pepohonan, Anda akan lebih mudah merasa gerah.

Semua itu mungkin terjadi begitu saja tanpa Anda sadari. Proses apakah yang sebenarnya sedang terjadi? Mengapa hal tersebut dapat   tejadi?

Tumbuhan di sekitar kita mungkin hanyalah suatu makhluk tanpa daya bagi sebagian orang. Akan tetapi, jika Anda telah mengetahui peristiwa menakjubkan di dalamnya, Anda mungkin akan berubah pikiran mengenai betapa pentingnya pepohonan dan hutan bagi kehidupan manusia di bumi.

Dari cahaya matahari yang menyinari bumi, dimulailah suatu proses transfer energi di alam. Melalui daun-daunnya, tumbuhan hijau menangkap cahaya tersebut sebagai bahan bakar pembuatan makanan.

Air dan gas CO2 yang ditangkap, diolah menjadi sumber energi bagi kita dan konsumen lainnya di planet bumi ini. Produk itu dapat berupa buah yang kita makan, daun-daunan, ataupun bagian lain dari tumbuhan, seperti umbi dan bunga. Satu hal yang tidak kalah pentingnya adalah tumbuhan menghasilkan oksigen dalam proses fotosintesis

Perangkat Fotosintesis
Perangkat fotosintesis terdiri atas kloroplas, cahaya matahari dan klorofil. Bagaimanakah peran ketiga perangkat fotosintesis tersebut?

a) Kloroplas
Seluruh bagian dari tumbuhan, termasuk batang dan buah, memiliki kloroplas. Akan tetapi, daun merupakan tempat utama berlangsungnya fotosintesis pada tumbuhan. Warna pada daun disebabkan adanya klorofil, pigmen berwarna hijau yang terletak di dalam kloroplas.

Klorofil dapat menyerap energi cahaya yang berguna dalam sintesis molekul makanan pada tumbuhan. Kloroplas banyak ditemukan pada mesofil. Setiap sel mesofil dapat mengandung 10 hingga 100 butir  kloroplas.

Kloroplas sebagai tempat klorofil berada, merupakan organel utama dalam proses fotosintesis. Jika dilihat menggunakan mikroskop SEM (Scanning Electrone Microscope), dapat diketahui bentuk kloroplas yang berlembar-lembar dan dibungkus oleh membran.

Bagian di sebelah dalam membran dinamakan stroma, yang berisi enzim-enzim yang diperlukan untuk proses fotosintesis. Di bagian ini, terdapat lembaran-lembaran datar yang saling berhubungan, disebut tilakoid. Beberapa tilakoid bergabung membentuk suatu tumpukan yang disebut grana.

b) Cahaya matahari
Sumber energi alami yang digunakan pada fotosintesis adalah cahaya matahari. Cahaya matahari memiliki berbagai spektrum warna. Setiap spektrum warna memiliki panjang gelombang tertentu. Setiap spektrum warna memiliki pengaruh yang berbeda terhadap proses fotosintesis.

Sinar yang efektif dalam proses fotosintesis adalah merah, ungu, biru, dan oranye. Sinar hijau tidak efektif dalam fotosintesis. Daun yang terlihat hijau oleh mata karena spektrum warna tersebut dipantulkan oleh pigmen fotosintesis. Sinar infra merah berperan dalam fotosintesis dan berfungsi juga meningkatkan suhu lingkungan

c) Klorofil
Proses fotosintesis terjadi pada pigmen fotosintesis. Tanpa pigmen tersebut, tumbuhan tidak mampu melakukan fotosintesis. Secara keseluruhan, fotosintesis terjadi pada kloroplas yang mengandung pigmen klorofil. Pada tubuh tumbuhan, fotosintesis dapat terjadi pada batang, ranting, dan daun yang mengandung kloroplas.

Klorofil merupakan pigmen fotosintesis yang paling utama. Klorofil dapat menyerap cahaya merah, oranye, biru, dan ungu dalam jumlah banyak. Adapun cahaya kuning dan hijau diserap dalam jumlah sedikit.

Oleh karena itu, cahaya kuning dan hijau dipantulkan sehingga klorofil tampak berwarna hijau. Terdapat beberapa jenis klorofil, yakni klorofil a, b, c, dan d. Dari semua jenis klorofil tersebut, klorofil a merupakan pigmen yang paling utama dan hampir terdapat disemua tumbuhan yang melakukan fotosintesis.

Pada tumbuhan, terdapat dua pusat reaksi fotosintesis yang berbeda, yakni fotosistem I dan fotosistem II. Keduanya dibedakan berdasarkan kemampuannya dalam menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Perbedaan kemampuan tersebut disebabkan oleh perbedaan kombinasi antara klorofil a dan klorofil b.

Perbedaan kombinasi antara klorofil a dan klorofil b berpengaruh terhadap panjang gelombang yang diterima oleh klorofil. Fotosistem I dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang antara 680–700 nm, sedangkan fotosistem II dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang antara 340–680 nm.

2) Mekanisme Fotosintesis
Fotosintesis meliputi dua tahap reaksi, yakni tahap reaksi terang yang diikuti dengan tahap reaksi gelap. Reaksi terang membutuhkan cahaya matahari, sedangkan reaksi gelap tidak membutuhkan cahaya. Secara keseluruhan, fotosintesis berlangsung dalam kloroplas.

a) Reaksi Terang
Reaksi terang merupakan salah satu langkah dalam fotosintesis untuk mengubah energi matahari menjadi energi kimia. Reaksi terang ini berlangsung di dalam grana. Perlu diingat bahwa cahaya juga memiliki energi yang disebut foton. Jenis pigmen klorofil berbeda-beda karena pigmen tersebut hanya dapat menyerap panjang gelombang dengan besar energi foton yang berbeda.

Klorofil berfungsi menangkap foton dari cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi penggerak elektron. Pada proses ini, terjadi pemecahan molekul air oleh cahaya sehingga dilepaskan elektron, hidrogen dan oksigen. Proses ini dinamakan Reaksi Siklik.

Pada fotosistem I (P700), terjadi perputaran elektron yang dihasilkan dan ditangkap oleh akseptor sebagai hasil dari reaksi reduksi dan oksidasi. Elektron yang dieksitasikan oleh P700 akan dipindahkan ke setiap akseptor hingga akhirnya kembali ke sistem P700. Beberapa akseptor elektron yang terlibat dalam fotosistem adalah feredoksin (fd), plastoquinon (pq), sitokrom (cyt), dan plastosianin (pc).

Proses ini menghasilkan ATP sebagai hasil penambahan elektron pada ADP atau dikenal dengan nama fotofosforilasi. Perputaran elektron pada fotosistem I ini disebut sebagai fotofosforilasi siklik.

Fotosistem I ini umumnya ditemukan pada bakteri dan mikroorganisme autotrof lainnya. Sistem fotosintesis dengan menggunakan fotofosforilasi siklik diduga sebagai awal berkembangnya proses fotosintesis yang lebih kompleks

Sebelumnya, Anda telah mengetahui bahwa glukosa merupakan bahan baku utama dalam respirasi sel. Akan tetapi, molekul glukosa umumnya tidak dapat diperoleh dari makanan secara langsung. Biasanya pada makanan terdapat lemak, protein, dan karbohidrat berupa disakarida dan polisakarida. Semua molekul tersebut dapat diperoleh jika Anda mengonsumsi makanan, misalnya kacang atau jagung.

Sel dapat mengubah karbohidrat melalui proses glikolisis. Enzim di dalam sistem percernaan dapat menghidrolisis zat tepung (pati) menjadi glukosa. Glukosa tersebut akan dicerna melalui proses glikolisis dan daur asam sitrat.

Protein dapat digunakan sebagai energi, tetapi harus dicerna terlebih dahulu menjadi asam amino. Enzim akan mengubah asam amino menjadi asam piruvat, asetil-KoA, atau masuk ke dalam daur asam sitrat bergantung pada jenis asam aminonya. 

Pembentukan  NH3  dari jalur protein disebabkan oleh proses deaminasi asam amino. Gugus amino dibuang dalam bentuk senyawa nitrogen, seperti NH3 dan urea. Setiap satu gram protein menghasilkan 4 kkal energi

(2) Reaksi Nonsiklik
Reaksi nonsiklik ini memerlukan tambahan berupa fotosistem II (P680). Sumber elektron utama diperoleh dari fotolisis air yang akan digunakan oleh klorofil pada fotosistem II (P680). Reaksi ini menghasilkan dua elektron dari hasil fotolisis air. Elektron ini akan diterima oleh beberapa akseptor elektron, yakni plastoquinon (pq), sitokrom (cyt), dan plastosianin (pc).

Akhirnya, pompa elektron menggerakan satu elektron H+ yang akan digunakan pada pembentukan ATP dari ADP atau fotofosforilasi. Pem- bentukan ATP ini dibantu dengan adanya perbedaan elektron pada membran tilakoid.

Beberapa akseptor elektron juga terlibat dalam fotosistem II, seperti ferodoksin (fd) untuk menghasilkan NADPH dari NADP. Dengan demikian, pada proses ini akan dihasilkan energi berupa satu ATP dan satu NADPH (Gambar 2.20).

Lemak merupakan sumber energi utama karena mengandung banyak atom hidrogen. Sel akan menghidrolisis lemak menjadi gliserol dan asam lemak. Kemudian, gliserol diubah menjadi gliseraldehid–3–fosfat (G3P) dalam proses glikolisis.

Adapun asam amino akan dipecah menjadi dua bagian karbon yang akan masuk ke daur asam sitrat sebagai asetil–KoA. Lemak menghasilkan energi ATP dua kali lebih banyak daripada karbohidrat pada jumlah berat yang sama.

Oleh karena itu, makhluk hidup terutama hewan menyimpan makanan cadangan dalam bentuk lemak tubuh (Campbell, et al, 2006: 102). Setiap satu gram lemak dapat menghasilkan 9 kkal energi. Berapa perbandingan energi yang dihasilkan lemak dan   karbohidrat?

Beberapa senyawa yang dibentuk pada proses respirasi sel dapat digunakan untuk membentuk senyawa lain, seperti asam lemak dan gliserol. Asam lemak dan gliserol memiliki keterkaitan dengan sistem respirasi karena dapat digunakan sebagai sumber energi.

Begitu pula protein yang diserap tubuh, dapat juga digunakan untuk daur Krebs.

1. Pembentukan gliserol
Gliserol dapat dibentuk dari senyawa antara fosfogliseraldehid pada glikolisis.

2. Pembentukan asam lemak
Asam lemak disintesis dari senyawa antara asetil-KoA, yakni hasil dari reaksi dekarboksilasi oksidatif asam  piruvat.

3. Pembentukan protein
Protein dalam tubuh diperlukan sebagai pembangun sel (memperbaiki sel-sel yang rusak). Protein bagi tubuh dapat dipenuhi oleh sintesis dalam tubuh atau diambil dari sumber makanan.

Protein yang terbentuk dari asam amino non-esensial dapat dibentuk oleh tubuh melalui sintesis protein, sedangkan protein yang terbentuk dari asam amino esensial tidak dapat dibentuk tubuh dan harus didapat dari makanan. Sintesis protein akan Anda pelajari pada bab selanjutnya.

b) Reaksi Gelap (Fiksasi CO2)
Reaksi gelap merupakan tahap sebenarnya dalam pembuatan bahan makanan pada fotosintesis. Energi yang telah dihasilkan selama reaksi terang akan digunakan sebagai bahan baku utama pembentukan karbohidrat proses fiksasi CO2 di stroma.

Tumbuhan mengambil karbon dioksida melalui stomata. Anda tentu masih ingat fungsi utama stomata dalam pertukaran gas pada tumbuhan. Karbon dioksida diikat oleh suatu molekul kimia di dalam stroma yang bernama ribulosa bifosfat (RuBP).

Karbon dioksida akan berikatan dengan RuBP yang mengandung 6 gugus karbon dan menjadi bahan utama dalam pembentukan glukosa yang dibantu oleh enzim rubisko. Reaksi ini pertama kali diamati oleh Melvin Calvin dan Andrew Benson sehingga reaksi ini disebut juga dengan siklus Calvin-Benson.

RuBP yang berikatan dengan karbon dioksida akan menjadi molekul yang tidak stabil sehingga akan membentuk fosfogliserat (PGA) yang memiliki 3 gugus C. Energi yang berasal dari ATP dan NADPH akan digunakan oleh PGA menjadi fosfogliseraldehid (PGAL) yang mengandung 3 gugus C.

Dua molekul PGAL ini akan menjadi bahan utama pembentukan glukosa yang merupakan produk utama fotosisntesis, sedangkan sisanya akan kembali menjadi RuBP dengan bantuan ATP. Jadi, reaksi gelap terjadi dalam tiga tahap, yakni fiksasi CO2, reduksi, dan regenerasi.

3) Faktor-Faktor yang Memengaruhi Fotosintesis
Dengan mengetahui beberapa faktor yang terlibat dalam proses fotosintesis ini, dapat diketahui beberapa hal yang menjadi faktor pembatas fotosintesis, seperti faktor hereditas dan lingkungan.

a) Faktor Hereditas
Faktor hereditas merupakan faktor yang paling menentukan terhadap aktivitas fotosintesis. Tumbuhan memiliki kebutuhan yang berbeda terhadap kondisi lingkungan untuk menjalankan kehidupan normal.

Tumbuhan yang berbeda jenis dan hidup pada kondisi lingkungan sama, memiliki perbedaan faktor genetis atau hereditas. Ada beberapa jenis tumbuhan tidak mampu membentuk kloroplas albino. Hal tersebut disebabkan adanya faktor genetis yang tidak memiliki potensi untuk membentuk  kloroplas.

b) Faktor Lingkungan
Aktivitas fotosintesis sangat dipengaruhi oleh faktor lingkungan, seperti temperatur, intensitas cahaya matahari, kandungan air dan mineral, serta kandungan CO2 dan O2.

(1) Temperatur
Aktivitas fofosintesis merupakan reaksi yang menggunakan enzim, sedangkan kerja enzim dipengaruhi oleh temperatur. Aktivitas fotosintesis tidak berlangsung pada suhu di bawah 5°C dan di atas 50°C. Mengapa demikian? Temperatur optimum fotosintesis sekitar 28–30°C.

Tumbuhan yang hidup di daerah tropis memiliki enzim yang bekerja secara optimum karena tumbuh di lingkungan yang memiliki kisaran suhu optimum.

(2) Intensitas Cahaya Matahari dan Lama  Pencahayaan
Semakin tinggi intensitas cahaya matahari, semakin tinggi pula aktivitas fotosintesis. Hal ini terjadi jika ditunjang oleh tersedianya CO2, H2O, dan temperatur yang sesuai. Kenaikan aktivitas fotosintesis tidak akan terus berlanjut, tetapi akan berhenti sampai batas keadaan tertentu karena tumbuhan memiliki batas toleransi.

Lama pencahayaan sangat berpengaruh terhadap fotosintesis. Pada musim hujan, lama pencahayaan menjadi pendek sehingga aktivitas  fotosintesis  akan berkurang.

(3) Kandungan Air dalam Tanah
Air merupakan bahan dasar pembentukan karbohidrat (C6H12O6). Air merupakan media tanam, penyimpan mineral dalam tanah, dan mengatur temperatur tumbuhan. Berkurangnya air dalam tanah akan menghambat pertumbuhan tumbuhan. Kurangnya air juga akan menyebabkan kerusakan pada klorofil sehingga daun menjadi berwarna kuning.

(4) Kandungan Mineral dalam Tanah
Mineral berupa Mg, Fe, N, dan Mn merupakan unsur yang berperan dalam proses pembentukan klorofil. Tumbuhan yang hidup pada lahan yang kekurangan Mg, Fe, N, Mn, dan H2O akan mengalami klorosis atau penghambatan pembentukan klorofil yang menyebabkan daun berwarna pucat. Rendahnya kandungan klorofil dalam daun akan menghambat
terjadinya fotosintesis.

(5) Kandungan CO2 di Udara
Kandungan CO2 di udara, sekitar 0,03%. Peningkatan konsentrasi CO2 hingga 0,10% meningkatkan laju fotosintesis beberapa tumbuhan hingga dua kali lebih cepat. Akan tetapi, keuntungan ini terbatas karena stomata akan menutup dan fotosintesis terhenti jika konsentrasi CO2 melebihi 0,15%.

(6) Kandungan O2
Rendahnya kandungan O2 di udara dan dalam tanah akan menghambat respirasi dalam tubuh tumbuhan. Rendahnya respirasi akan menyebabkan rendahnya penyediaan energi. Hal ini mengakibatkan aktivitas metabolisme akan terlambat khususnya fotosintesis.

b. Kemosintesis
Selain melalui fotosintesis, reaksi pembentukan (anabolisme) molekul berenergi pada beberapa makhluk hidup dapat juga terjadi melalui kemosintesis. Hal ini terutama dilakukan oleh bakteri kemoautotrof.

Berbeda dengan fotosintesis yang mendapatkan energi dari sinar matahari, kemosintesis mendapatkan energi dari reaksi molekul anorganik. Beberapa organisme kemosintesis mereaksikan CO2 dengan H2 berenergi tinggi untuk menghasilkan metana dan air melalui reaksi sebagai berikut.

Hasil reakasi ini berupa energi ikatan H2 yang dilepaskan dan dapat digunakan sebagai sumber energi bagi sel. Reaksi yang menghasilkan energi lainnya, menggunakan sulfur untuk melepaskan energi ikatan H2. Hal ini dilakukan oleh bakteri sulfur yang terdapat di kawah-kawah gunung. Reaksi ini menghasilkan gas hidrogen sulfida (H2S). Berikut ini rangkuman reaksi yang terjadi.

Pertumbuhan makhluk hidup kemoautotrof terjadi secara lambat, karena reaksi ini hanya menghasilkan sedikit energi. Tempat hidup bakteri kemoautotrof lebih banyak dilingkungan yang sulit ditempati makhluk lain, seperti di kawah-kawah gunung dan rekahan dasar laut.

Bagikan ke Facebook