Metabolisme dan Fotosintesis
Metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang diawali oleh
substrat awal dan diakhiri dengan produk akhir. Metabolisme terjadi pada setiap
makhluk hidup tak terkecuali pada tumbuhan. Metabolisme pada tumbuhan lebih
kita kenal sebagai fotosintesis. Untuk melakukan metabolisme dengan
lebih cepat, makhluk hidup memerlukan suatu protein yang disebut enzim.
Oleh sebab itu, alangkah baiknya jika kita membahas sedikit mengenai
enzim terlebih dahulu sebelum memasuki materi metabolisme.
Enzim
Enzim
merupakan suatu protein yang bertindak sebagai katalis dalam makhluk hidup,
oleh karena itu enzim disebut juga sebagai biokatalisator. Molekul
awal (substrat) yang bereaksi dalam suatu reaksi nantinya akan dikatalis
oleh enzim dan menghasilkan molekul baru (produk).
Enzim
Berdasarkan Lokasi Bekerjanya
Berdasarkan
lokasi bekerjanya, enzim dibagi menjadi dua yaitu enzim intraseluler dan enzim
ekstraseluler. Enzim intraseluler merupakan enzim yang bekerja di dalam
sel, seperti enzim katalase yang memecah senyawa berbahaya H2O2 (hidrogen peroksida) di dalam hati. Enzim
ekstraseluler merupakan enzim yang dbiuat di dalam sel lalu dikeluarkan untuk
melakukan fungsinya seperti enzim-enzim pencernaan (amilase, lipase, dll.).
Komponen
Enzim
Enzim tersusun dari komponen protein yang
disebut apoenzim. Beberapa enzim juga memiliki komponen non-protein
berupa zat organik yang disebut kofaktor untuk melakukan
fungsinya. Enzim yang terikat dengan kofaktor disebut dengan holoenzim.
Berikut adalah beberapa jenis kofaktor.
·
Ion
organik terikat dengan suatu enzim atau
substrat kompleks sehingga mampu membuat fungsi enzim menjadi lebih efektif.
Contohnya saja ion klorida dan kalsium pada enzim amilase.
·
Gugus
prostetik terdiri dari molekul-molekul organik yang
terikat rapat dengan enzim. Contohnya adalah heme, yaitu molekul
berbentuk cincin pipih yang mengandung besi. Heme adalah gugus prostetik pada
beberapa enzim seperti katalase, peroksidase, dan sitokrom oksidase (dalam
respirasi seluler).
·
Koenzim adalah kofaktor yang terdiri dari molekul organik
non-protein kompleks yang terikat renggang dengan enzim. Koenzim berperan untuk
memindahkan gugus kimia, atom, atau elektron dari satu enzim ke enzim lain.
Contohnya adalah vitamin dan turunan vitamin seperti NAD+ (nicotinamide
Adenine Dinukleotide) yang berperan dalam respirasi seluler.
Cara
Kerja Enzim
Enzim
bekerja sebagai katalis di dalam tubuh kita. Enzim mempercepat reaksi dengan
cara menurunkan energi aktivasi. Energi aktivasi adalah energi yang
dibutuhkan untuk melakukan suatu reaksi. Kerja enzim bisa dijelaskan melalui
dua teori yaitu lock and key theory dan induced
fit theory.
·
Lock
and key theory menjelaskan bahwa enzim dan substrat
bergabung menjadi kompleks seperti kunci yang masuk ke dalam gembok. Hanya
molekul tertentu saja yang bisa menjadi substrat bagi enzim. Di sini enzim
digambarkan sebagai gembok dan substrat sebagai kuncinya.
·
Induced
fit theory menjelaskan bahwa sisi aktif enzim
merupakan bentuk yang fleksibel sehingga ia mampu menyesuaikan bentuk
dengan berbagai substrat dan membentuk kompleks.
Sifat
Enzim
Berikut
ini adalah beberapa sifat dari enzim sebagai biokatalisator.
·
Enzim
memiliki sifat protein karena
pada dasarnya enzim addalah protein. Enzim memerlukan kondisi lingkungan yang
mendukung untuk bekerja (pH, temperatur, konsentrasi ion, dsb.).
·
Enzim
bekerja sebagai katalis yaitu
mengubah kecepatan reaksi tanpa mengubah hasil produk.
·
Enzim
diperlukan dalam jumlah sedikit karena
sedikit enzim mampu meningkatkan kecepatan reaksi menjadi cukup tinggi.
·
Enzim
dapat bekerja bolak-balik sehingga
ia dapat membentuk dan mengurai senyawa.
·
Enzim
dipengaruhi faktor lingkungan seperti
suhu, pH, aktivator, inhibitor, dan konsentrasi substrat.
Faktor
yang Mempengaruhi Kerja Enzim
Berikut
adalah beberapa faktor yang mempengaruhi kerja enzim.
·
Suhu yang tinggi mempermudah substrat terikat dengan enzim.
Walau begitu, enzim memiliki temperatur optimum untuk dapat bekerja
yaitu 40oC. Di atas suhu tersebut enzim akan mengalami denaturasi yaitu
hilangnya kemampuan enzim untuk mengikat substrat.
·
pH optimum yang dimiliki tiap enzim berbeda-beda
bergantung fungsi dan lokasinya. Contohnya enzim pepsin dalam lambung bekerja
optimum pada pH 2 (sangat asam) sedangkan enzim amilase dalam mulut pada pH 7,5
(sedikit basa) bekerja optimum.
·
Aktivator
dan Inhibitor bekerja berlawanan. Aktivator berfungsi
mempermudah ikatan enzim dengan substrat, sebaliknya dengan inhibitor.
·
Konsentrasi tinggi pada enzim akan mempercepat reaksi, sehingga
bisa disimpulkan bahwa konsentrasi enzim berbanding lurus dengan kecepatan
reaksi.
Metabolisme
Seperti
yang sudah dijelaskan di awal tadi, metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia
dalam tubuh kita. Reaksi ini tidak bersifat bolak-balik, melainkan satu arah
dan akan menyebabkan reaksi berantai.
Tujuan
Metabolisme
Berdasarkan
tujuannya, metabolisme dibagi menjadi dua yaitu katabolisme dan anabolisme.
·
Katabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya
adalah molekul besar lalu produk akhirnya adalah molekul kecil.
·
Anabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya
molekul kecil lalu produk akhirnya adalah molekul besar.
Baik
katabolisme dan metabolisme tersebut pun masing-masing memiliki banyak contoh.
Beberapa proses katabolisme dan metabolisme yang akan dibahas di sini antara
lain adalah metabolisme karbohidrat, lemak, dan juga protein. Namun, kita akan
lebih memfokuskan kepada yang paling penting yaitu metabolisme karbohidrat.
Katabolisme
Karbohidrat
Katabolisme
karbohidrat meliputi proses pemecahan polisakarida menjadi monosakarida dan
pemakaian glukosa (monosakarida) dalam proses respirasi untuk menghasilkan
energi dalam bentuk ATP.
Pemecahan
polisakarida menjadi disakarida seperti
glukosa, galaktosa, dan fruktosa terjadi di sepanjang saluran pencernaan dengan
melibatkan berbagai enzim pencernaan. Di dalam mulut, enzim ptialin yang
terdapat dalam air ludah akan menghidrolisis pati menjadi maltosa yang
merupakan disakarida glukosa. Di dalam usus dua belas jari, getah pankreas yang
mengandung enzim amilase juga akan menghidrolisis pati seperti enzim ptialin.
Kemudian, disakarida (laktosa, sukrosa, dan maltosa) dan polimer glukosa akan
dipecah menjadi monosakarida oleh empat enzim yaitu laktase, sukrase, maltase,
dan destrinase. Laktosa dipecah menjadi molekul glukosa dan galaktosa. Sukrosa
dipecah menjadi molekul glukosa dan fruktosa. Maltosa akan dipecah menjadi
molekul-molekul glukosa.
Pemakaiana
glukosa (monosakarida) dalam respirasi merupakan
cara sel untuk memperoleh energi dalam bentuk ATP. Respirasi dibagi menjadi dua
yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob.
Respirasi
Aerob
Respirasi
aerob merupakan peristiwa pembakaran zat yang melibatkan oksigen dari
pernapasan. Oksigen akan digunakan sebagai penerima elektron terakhir dalam
pembentukan ATP. Respirasi pada tingkat organisme berupa pertukaran oksigen
dengan karbon dioksida di dalam alveolus paru-paru. Sedangkan resprasi pada
tingkat sel terjadi di dalam mitokondria. Berikut ini adalah reaksi singkat
yang terjadi selama respirasi aerob.
675 kalori = 36 ATP
|
Respirasi
aerob terbagi menjadi tiga tahap yaitu glikolisis, siklus krebs, dan sistem
transpor elektron.
Glikolisis terjadi di dalam sitoplasma. Di tahap ini
terdapat dua langkah reaksi yaitu langkah memerlukan energi dan melepaskan
energi. Awalnya dibutuhkn 2 ATP untuk mentransfer gugus fosfat ke glukosa,
sehingga glukosa memiliki simpanan energi yang lebih tinggi untuk reaksi
pelepasan energi nantinya. Jadi, glikolisis adalah reaksi pelepasan energi yang
memecah 1 molekul glukosa atau monosakarida yang llain menjadi 2 molekul asam
piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP.
Siklus
krebs merupakan tahap kedua respirasi aerob.
Tahapnya adalah 2 molekul asam piruvat yang dibentuk pada glikolisis
meninggalkan sitoplasma dan memasuki mitokondria. Siklus ini terjadi di dalam
mitokondria. Reaksi ini akan melepaskan 2 molekul karbon dioksida, 3 NADH, 1
FADH2, dan1 ATP.
Reaksi
ini terjadi dua kali karena pada glikolisis, glukosa dipecah menjadi 2 asam
piruvat. Jadi, reaksi siklus krebs pada tahap kedua akan menghasilkan 6 NADH,
2 FADH2, dan 2 ATP.
Sistem
transpor elektron terjadi
di bagian membran dalam mitokondria. NADH dan FADH2 yang
dihasilkan dari siklus krebs dan glikolisis memberikan elektron H+ ke sistem transpor elektron. H+akan
dipompa ke luar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam mitokondria menimbulkan gradien
elektron antara bagian luar dan bagian dalam membran dalam mitokondria.
Akibatnya, ion H+ kembali menuju bagian dalam membran dalam mitokondria
melalui ATP sintase. ATP sintase merupakan protein yang menempel di membran
dalam mitokondria. Aliran H+ melaluui
protein transpor ini memacu pembentukan ATP dari ADP dan fosfat. Oksigen bebas
menjaga pembentukan ATP terus berjalan, yaitu dengan menerima elektron yang
dilepaskan pada akhir sistem transpor elektron. Oksigen akan bergabung
dengan H+ menjadi H2O. ATP yang dihasilkan
sebanyak 32 ATP.
Respirasi
Anaerob
Respirasi
anaerob merpakan respirasi yang tidak menggunakan oksigen sebagai penerima
elektron akhir pada saat pembentukan ATP. Substrat yang digunakan di sini
adalah glukosa. Respirasi aerob siebut juga dengan reaksi fermentasi.
Fermentasi merupakan suatu reaksi yang menghasilkan 2 ATP,
2 NADH, dan 2 molekul asam piruvat dari pemecahan glukosa. Pada reaksi
fermentasi, pemecahan glukosa menjadi karbon dioksida dan air tidak terjadi
sempurna sehingga ATP yang dihasilkan lebih sedikit dibanding ATP hasil dari
glikolisis. Pada umumnya fermentasi disebabkan oleh berbagai macam
mikroorganisme atau bisa juga terjadi secara alami seperti yang terjadi pada
otot manusia.
Anabolisme
Karbohidrat
Anabolisme
karbohidrat meliputi proses pembentukan glukosa dan glikogen dari
fosfogliseraldehid (PGAL) yang dihasilkan pada tahapan glikolisis respirasi
aerob. Glukosa kemudian akan diedarkan ke dalam aliran darah dan glikogen
disimpan di dalam hati.
Hubungan
Metabolisme Karbohidrat, Lemak, dan Protein
Berikut
ini adalah hubungan antara beberapa jenis metabolisme yang disebutkan di atas.
Dibandingkan
protein dan karbohidrat, mengkonsumsi makanan yang mengandung lemak lebih
memberikan rasa kenyang. Hal ini disebabkan oleh kemampuan metabolisme lemak
untuk menghasilkan energi lebih besar. Lemak adalah senyawa karbon yang paling
tereduksi, sedangkan karbohdrat dan protein lebih teroksidasi. Senyawa karbon
yang tereduksi lebih banyak menyimpan energi dan jika dibakar sempurna akan
membebaskan energi lebih banyak. Hal ini berhubungan dengan pembebasan elektron
yang lebih banyak. Berdasrkan perhitungan, ATP yang dihasilkan lemak akan
berjumlah 44, lebih banyak 8 ATP dibanding yang dihasilkan melalui metabolisme
protein dan karbohidrat.
Teknologi
Pengolahan Makanan
Makanan
merupakan sumber energi dan materi yang dibutuhkan dalam melakukan metabolisme
tubuh. Perkembangan teknologi juga telah mempengaruhi proses pengolahan
makanan.
Berikut
ini adalah beberapa penggunaannya.
·
Teknologi makanan berkadar gula rendah -
Untuk mencegah obesitas
·
Teknologi pengawetan makanan berkualitas
tinggi - Untuk mencegah pembusukkan
Yang
harus diperhatikan di dalam pengawetan makanan adalah jenis bahan makanan yang
diawetkan, keadaan bahan makanan, cara pengawetan, dan daya tarik produk
pengawetan makanan (citra, rasa, warna, dan bau).
Bahan
makanan yang diawetkan akan
mempengaruhi cara pengawetannya. Pengawetan protein, karbohidrat, dan lemak
tentu saja berbeda-beda. Pengawetan protein menggunakan cara pengeringan, dsb.
Minyak diawetkan dengan teknik pembuatan yang bersih dan pemberian bahan
pengawet. Karbohidrat diawetkan dengan pembuatan tepung, pengeringan, dan
pemanasan. Zat-zat organik (buah dan susu) akan lebih cocok diawetkan dengan
pengeringan dingin.
Keadaan
bahan makanan mempengaruhi cara pengawetan juga.
Pengawetan bahan cari akan lebih sulit dibandingkan bahan padat misalnya
seperti sirup yang harus dilakukan pengentalan.
Bahan
pengawet dan pewarna pada umumnya banyak yang memiliki
sifat racun bahkan karsinogenik. Untuk bahan pengawet yang alami seperti garam
dan sirup, sifat-sifat racun tidak ditemukan.
Daya
tarik produk memiliki tujuan agar setelah
diawetkan pun, makanan akan tetap terlihat menarik dan tentu saja mudah
dikonsumsi.
Teknologi
Substitusi Energi dari Produk Pengolahan Makanan
Terkadang
makanan yang kita konsumsi tidak mampu memenuhi kebutuhan gizi di dalam tubuh
kita. Oleh karena itu, kita perlu mengkombinasikan berbagai makanan sehingga
dapat memperoleh semua zat gizi yang dibutuhkan. Melalui makanan tambahan, kita
bisa memenuhi kebutuhan gizi. Beberapa makanan tambahan tersebut antara lain
sebagai berikut.
·
Garam beryodium untuk melengkapi unsur
mineral mikro.
·
Minyak ikan untuk melengkapi kebutuhan
vitamin A dan D.
·
Infus, yaitu makanan yang diberikan khusus
melalui pembuluh vena yang berisi karbohidrat.
Fotosintesis
Selain
manusia dan hewan, tumbuhan juga melakukan suatu proses metabolisme yang kita
kenal dengan fotosintesis. Fotosintesis merupakan salah satu contoh dari
katabolisme karbohidrat yaitu mengubah H2O dan CO2 menjadi
karbohidrat. Fotosintesis merupakan peristiwa penggunaan energicahaya untuk membentuk senyawa dasar karbohidrat dari karbon dioksida dan air.
Reaksi
Fotosintesis
Di
dalam fotosintesis, terdapat beberapa reaksi yang terjadi. Berikut ini adalah
reaksi-reaksinya.
·
Reaksi
terang adalah reaksi yang terjadi pada
bagian grana (kumpulan tilakoid) tumbuhan dan sering
disebut juga sebagai reaksi Hill.
·
Reaksi
gelap adalah reaksi yang terjadi pada
bagian stroma tumbuhan dan seing disebut juga sebagai reaksi
Calvin-benson.
Reaksi
Terang
Pada
reaksi terang terjadi 3 proses utama yaitu:
1.
Pigmen fotosintesis menyerap energi cahaya
dan melepaskan elektron yang akan masuk ke sistem transpor elektron.
2.
Molekul air pecah, ATP dan NADPH
(Nicotinamide Adenine Dinucleotide phospate H) terbentuk, dan oksigen
dilepaskan.
3.
Pigmen fotosintesis yang melepaskan
elektron menerima kembali elektron sebagai gantinya.
Reaksi teranng terjadi pada dua
jenis fotosistem. Fotosistem adalah
unit/kompleks pengumpul cahaya dari membran tilakoid. Unit tersebut merupakan
klorofil yang tersusun bersama protein dan molekul organik yang lebih kecil
lainnya. Fotosistem tersebut terbagi menjadi dua jenis yaitu fotosistem I (P700
nm) dan fotosistem II (P680 nm) bergantung pada panjang gelombang cahaya
yang mampu diserap. Terdapat dua proses aliran elektron pada reaksi terang baik
yang terjadi pada fotosistem I maupun II.
·
Aliran
elektron siklik merupakan proses perpindahan
elektron yang terjadi pada fotosistem I dan menghasilkan ATP. Pada proses ini
energi cahaya matahari (photon) akan menyebabkan elektron berpindah dari
klorofil yang satu ke yang lain. Klorofil yang terdapat pada fotosistem ini
adalah klorofil a. Elektron lalu akan berpindah menuju akseptor
elektron dan berpindah kembali ke dalam fotosistem sehingga fotosistem tidak
kehilangan elektron. Elektron yang terus menerus kembali inilah yang
menyebabkan aliran elektron ini disebut aliran elektron siklik.
·
Aliran
elektron non-siklik merupakan proses perpindahan
elektron yang terjadi pada fotosistem II dan I serta menghasilkan NADPH serta
oksigen. Proses yang terjadi pada fotosistem II ini lebih kompleks dibandingkan
dengan yang terjadi pada fotosistem I. Klorofil yang terlibat di sini
adalah klorofil b. Berikut adalah prosesnya.
·
Fotosistem II menyerap cahaya, Elektron dalam pusat reaksi (P680) tereksitasi,
“lubang”elektron yang ditinggalkan perlu diisi.
·
Suatu enzim mengekstraksi elektron dari air untuk mengisi “lubang”
yang ditinggalkan.Reaksi ini disebut fotolisis air.
·
Setiap elektron mengalir dari fotosistem II ke fotosistem I melalui rantai transporelektron Plastokinon (Pq), kompleks sitokrom dan Plastosianin (Pc)
·
Elektron menuruni rantai dengan menghasilkan ATP. Sintesis ATP ini disebutfotofosforilasi karena sintesis ini digerakkan oleh energi cahaya.
·
Energi cahaya menggerakkan elektron dari P700 ke akseptor elektron primer fotosistem I sehingga menimbulkan “lubang”
yang diisi elektron dari fotosistem I.
·
Akseptor elektron primer fotosistem I melewatkan
elektron terfotoeksitasi ke rantai transpor elektron kedua, yang menyalurkannya
ke feredoksin (Fd), kemudian menyalurkan elektron ke NADP+ reduktase sehingga terbentuk NADPH. Oksigen
dilepaskan ke udara.
Berikut
ini adalah perbedaan antara aliran elektron siklik dan non-siklik.
Reaksi
Gelap
Reaksi
gelap tidak membutuhkan bantuan cahaya seperti pada reaksi terang. Reaksi gelap
bergantung pada ATP dan NADPH yang dihasilkan pada reaksi terang. Jadi, reaksi
terang dan gelap merupakan suatu proses yang saling terkait, di mana tanpa
reaksi terang, reaksi gelap tidak bisa berlangsung, sehingga tidak terjadi
fotosintesis.
Pada
dasarnya, reaksi gelap memerlukan beberapa zat tertentu untuk melakukan
kerjanya.
·
ATP
·
Hidrogen dari NADPH
·
Elektron dari NADPH
·
Karbon dan oksigen dari karbon dioksida
·
Enzim
·
RuBP (Ribulosa Bifosfat) /
senyawa dengan 5 atom C
Berikut
ini adalah proses yang terjadi selama reaksi gelap berlangsung.
1.
RuBP mengikat C dari CO2 menjadi suatu senyawa yang terdiri dari 6
C labil. Senyawa ini memecah menjadi 12 PGA (Fosfogliserat).
2.
PGA lalu akan berikatan dengan fosfat,
hidrogen, serta elektron membentuk 12 PGAL(Fosfogliseraldehida).
3.
12 PGAL nantinya akan terpecah di mana 10
molekul akan kembali menjadi RuBP dan 2 lagi berkondensasi menjadi Glukosa
6 Fosfat.
Glukosa 6 Fosfat merupakan
bahan baku untuk membentuk sukrosa dan tepung pati.
Sukrosa merupakan karbohidrat yang berfungsi untuk pengangkutan menuju tempat
penimbunan. Tepung pati merupakan karbohidrat yang berfungsu sebagai cadangan
makanan.
Jadi secara garis besar,
inilah yang terjadi di dalam fotosintesis.
Ini adalah perbedaan antara reaksi terang dan reaksi gelap
0 komentar:
Posting Komentar