Seperti Anda ketahui dalam postingan di pelajaran Biologi SMA sebelumnya , proses anabolisme ( sintesis ) berdasarkan sumber energinya dibedakan menjadi fotosintesis dan kemosintesis.
Fotosintesis menggunakan energi cahaya ( matahari ) sebagai sumber energi utama. Kemosintesis menggunakan energi yang diperoleh dari oksidasi terhadap senyawa organik tertentu ( nitrat, belerang oksida , dll ) oleh organisme / mikroorganisme kemosintetik seperti bacteri belerang, bacteri nitrat dll.
Meskipun keduanya merupakan peristiwa anabolisme atau sintesis, bila kita kaji lebih jauh ternyata keduanya memiliki beberapa perbedaan selain perbedaan dalam hal sumber energi yang digunakan.
Beberapa perbedaan antara Fotosintesis dengan kemosintesis secara lebih lengkap dijelaskan dalam tabel berikut ini .
Tabel Perbedaan antara fotosintesis dengan kemosintesis
Seperti telah kita ketahui, reaksi fotosintesis terdiri atas dua tahapan yaitu : tahapan Reaksi Terang ( disebut juga Reaksi Hill ) dan Reaksi Gelap ( disebut juga Reaksi Blackman atau siklus Calvin ). Masing-masing tahapan menunjukkan proses reaksi yang berbeda. Namun keduanya merupakan satu rangkaian reaksi yang tak terpisahkan dari reaksi fotosintesis.
Lalu, apa perbedaan keduanya ?
Perbedaan antara reaksi terang dengan reaksi gelap, secara ringkas dijelaskan dalam tabel seperti berikut ini.
Tabel Perbedaan antara reaksi terang dengan reaksi gelap
NO
DILIHAT DARI
REAKSI TERANG
REAKSI GELAP
1.
Tempat berlangsung
bagian kloroplas bernama Grana
bagian kloroplas bernama Stroma
2.
Sumber energi
Cahaya / matahari
ATP dan NADPH2 dari reaksi terang
3.
Proses yang terjadi
Fotolisis : pemecahan H2O menggunakan energi cahaya menjadi ion Hidrogen dan molekul air
Fiksasi : pengikatan CO2 , penyusunan / pengkombinasian hydrogen dg karbondioksida membentuk gula
Di dalam semua sel hidup hampir selalu terjadi reaksi biokimia yang dikenal sebagai proses metabolisme. Salah satu metabolisme yang terjadi di dalam sel hidup adalah katabolisme, yaitu reaksi penguraian / pembongkaran senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana dan menghasilkan energi dalam bentuk ATP ( Adenosin Tri Phosphat ). Katabolisme juga disebut desimilasi, sebab
dalam proses ini energi yang tersimpan ditimbulkan kembali untuk menjalankan aktivitas-aktivitas kehidupan. Dalam pelajaran biologi di Sekolah Menengah Atas , proses katabolisme yang selalu menjadi topik pembahasan adalah respirasi sel. Respirasi sel sendiri mencakup reaksi-reaksi enzimatis ( reaksi yang membutuhkan adanya enzim ) di mana molekul karboidrat, juga lemak dan protein diuraikan menjadi senyawa yang lebih sederhana seperti CO2 dan H2O dengan konversi energi biologis yang sangat berguna seperti ATP.
Bahan bakar utama yang diproses dalam respirasi sel terutama adalah gula heksosa ( karbohidrat dengan 6 atom karbon ). Proses tersebut memerlukan oksigen bebas sebagai oksidator yang akan menghasilkan karbondioksida, air dan sejumlah energi.
Secara sederhana dapat ditulis reaksi kimia nya sebagai berikut :
C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + 675 kkal
Meskipun sebenarnya reaksi kimia respirasi tersebut tidaklah sesederhana yang digambarkan. Karena pada kenyataannya reaksi respirasi berlangsung melalui tahapan-tahapan "panjang" dimulai dari tahapan glikolisis yang berlangsung dalam sitoplasma dan mengubah glukosa menjadi asam piruvat , dilanjutkan dengan reaksi antara / oksidasi piruvat , kemudian dilanjutkan dengan siklus asam sitrat / daur krebs dan diakhiri dengan reaksi transpor elektron
Seperti halnya karbohidrat, lemak merupakan substrat penting dalam proses respirasi. Lemak disintesis dari karbohidrat atau protein melalui asetil koenzim A dan gliserol yang berasal dari fosfogliseraldehid ( PGAL ), di mana PGAL merupakan senyawa antara dalam tahap glikolisis dan daur krebs. Secara kimiawi, lemak tersusun dari penggabungan suatu asam lemak dengan gliserol. Agar dapat digunakan sebagai substrat respirasi ( reaksi katabolitik ) lemak terlebih dahulu dibongkar menjadi asam lemak dan gliserol. Kemudian gliserol diubah menjadi dihidroksiaseton fosfat, untuk selanjutnya diubah menjadi
fosfogliseraldehida yang merupakan zat antara pada tahap glikolisis dan daur krebs.Sementara itu asam lemak diubah menjadi molekul asetil ko A dan masuk ke jalur respirasi.
Berbeda dengan lemak, protein merupakan molekul yang pembentukannya melibatkan DNA, RNA dan ribosom. Protein di dalam sel tersusun dari asam amino. Beberapa asam amino dapat diubah menjadi glukosa ( alanin, serin, glisin, sistein, metionin dan triptofan ). Dan beberapa asam amino lainnya seperti : fenilalanin, tirosin, leusin, isoleusin dan lisin dapat diubah menjadi asam lemak. Dalam reaksi katabolitik, protein dipecah menjadi asam amino. Asam amino ini dapat masuk ke jalur respirasi melalui cara transaminasi ( pemindahan gugus amin-NH2 ) maupun deaminasi ( pembuangan gugus amin ). Asam amino seperti alanin, serin, glisin, sistein diubah menjadi asam piruvat dan masuk ke dalam mitokondria untuk dimanfaatkan dalam respirasi. Sedangkan asam amino seperti fenilalanin, tirosin, leusin, isoleusin dan lisin diubah menjadi asetil ko A untuk selanjutnya mengikuti jalur respirasi.
Dalam proses repirasi, karbohidrat merupakan molekul pertama yang menjadi substrat respirasi, Jika karbohidrat habis maka baru lemak yang akan dioksidasi. Jika karbohidrat dan lemak sudah tidak ada lagi maka protein akan dibongkar menjadi asam amino untuk dioksidasi.
Dari ketiga substrat respirasi tersebut, karbohidrat merupakan substrat respirasi yang utama. Jumlah energi yang dihasilkan oleh setiap gram protein setara dengan jumlah energi yang dihasilkan oleh setiap gram karbohidrat, yaitu + 4,1 kkal. Sementara, setiap gram lemak bila dioksidasi akan menghasilkan 2 kali lipat dari jumlah energi yang dihasilkan oleh karbohidrat dan protein setiap gramnya yaitu + 9,3 kkal. 1 Molekul lemak + 2H2O à 2 C6H12O6 ( glukosa ). Perbandingan C : H : O molekul lemak ( misalnya : tristerin ) adalah 57 : 110 : 6. Pada molekul karbohidrat perbandingan C : H : O adalah 6 : 12 : 6 . Itulah sebabnya energi yang digunakan dalam oksidasi lemak jauh lebih banyak. Rantai asam lemak yang banyak mengandung gugus –CH2 merupakan bentuk penyimpanan yang ideal untuk surplus energi metabolic. Zat ini dalam bentuk sangat tereduksi, sehingga energi yang dihasilkan juga besar. Di sisi lain, lemak disimpan dalam bentuk paling pekat dan sedikit mengandung air, di mana energi potensial dapat disimpan. Sementara itu, pada oksidasi protein di dalam tubuh produk akhir katabolismenya adalah urea dan senyawa nitrogen lainnya, ditambah CO2 dan H2O. Itulah sebabnya nilai kalori protein dalam tubuh hanya + 4,1kkal / gram.
Catatan : setiap penggunaan per liter O2 untuk katabolisme, akan membebaskan energi sebesar 4,82 kalori ( 4,82 kkal ).
Sumber pustaka :
1. D.A.Pratiwi dkk, Biologi SMA kelas XII, Erlangga, Jakarta, 2006
2. John W Kimball, Biologi jilid 1 ,Erlangga, Jakarta, 1999.
Katabolisme merupakan salah satu proses metabolisme yang di dalamnya melibatkan beberapa jenis enzim sebagai biokatalisator. Keberadaan mereka ( enzim ) akan mempercepat laju reaksi katabolisme, dan ketiadaan mereka (:enzim ) akan menyebabkan reaksi katabolisme berjalan lambat.
Beberapa enzim dan koenzim yang berperan dalam reaksi katabolisme gula
/ glukosa pada prinsipnya diklasifikasikan menjadi 2 kelompok, yaitu :
A.
Kelompok enzim yang berperan dalam reaksi oksidasi-reduksi.
Enzim-enzim yang termasuk dalam kelompok reaksi oksidasi-reduksi antara lain :
Aerobik dehidrogenase, yaitu enzim yang mengkatalisis pelepasan hydrogen dari substrat dan sebagai ekseptor hidrogennya dapat menggunakan oksigen maupun zat buatan seperti metthylen blue. Contoh : Flavin Adenin Dinukleotida ( FAD )
Anaerobik dehidrogenase, yaitu enzim yang mengkatalisis pelepasan hydrogen dari suatu substrat tetapi tidak memakai oksigen sebagai akseptornya. Enzim kelompok ini berfungsi untuk pemindahan hydrogen pada rantai pernapasan aerob dan untuk pemindahan hydrogen yangtidak menggunakan rantai pernapasan aerob. Contoh : Nikotinamid Adenin Dinukleotida ( NAD ) dan sitokrom
Hidroperoksidase, yaitu enzim yang menggunakan hydrogen perioksida ( H2O2 ) sebagai substrat. Contoh : peroksidase dan katalase.
Oksidase, yaitu enzim yang mengkatalisis transfer langsung dan penggabungan oksigen ke dalam molekul substrat. Contoh : sitokrom b, c, c1, a dan a1.
B.
Kelompok enzim yang berperan dalam pengubahan substrat yang tidak terkait dengan reaksi oksidasi reduksi. Contoh : heksokinase, adolase, fosfofruktokinase, fosfogliserat, enolase, piruvatkinase.
Respirasi anaerob merupakan salah satu proses katabolisme yang tidak menggunakan oksigen bebas sebagai penerima atom hidrogen ( H ) terakhir, tetapi menggunakan senyawa tertentu ( seperti : etanol, asam laktat ) . Asam piruvat yang dihasilkan pada tahapan glikolisis dapat dimetabolisasi menjadi senyawa yang berbeda ( ada/tersedianya oksigen atau tidak ) . Pada kondisi aerobik ( tersedia oksigen ) sistem enzim mitokondria mampu mengkatalisis oksidasi asam piruvat menjadi H2O dan CO2 serta menghasilkan energi dalam bentuk ATP ( Adenosin Tri Phosphat ). Pada kondisi anaerobik ( tidak tersedia oksigen ), suatu sel akan dapat mengubah asam piruvat menjadi CO2 dan etil alkohol serta membebaskan energi ( ATP ). Atau oksidasi asam piruvat dalam sel otot menjadi CO2 dan asam laktat serta membebaskan energi ( ATP ). Bentuk proses reaksi yang terakhir disebut, lazim dinamakan fermentasi. Proses ini juga melibatkan enzim-enzim yang terdapat di dalam sitoplasma sel.
Pada respirasi anaerob, tahapan yang ditempuh meliputi :
Tahapan glikolisis, dimana 1 molekul glukosa ( C6 ) akan diuraikan menjadi asam piruvat, NADH dan 2 ATP
Pembentukan alkohol ( fermentasi alkohol ), atau pembentukan asam laktat ( fermentasi asam laktat )
Akseptor elektron terakhir bukan oksigen, tetapi senyawa lain seperti : alkohol, asam laktat
Energi ( ATP ) yang dihasilkan sekitar 2 ATP
Beberapa proses reaksi yang berlangsung secara aerob ( Respirasi Anaerob ) :
Fermentasi alkohol : Proses ini terjadi pada beberapa mikroorganisme seperti jamur ( ragi ), dimana tahapan glikolisis sama dengan yang terjadi pada respirasi aerob. Setelah terbentuk asam piruvat ( hasil akhir glikolisis ), asam piruvat mengalami dekarboksilasi (: sebuah molekul CO2 dikeluarkan ) dan dikatalisis oleh enzim alkohol dehidrogenase menjadi etanol atau alkohol dan terjadi degradasi molekul NADH menjadi NAD+ serta membebaskan energi/kalor. Proses ini dikatakan sebagai "pemborosan" karena sebagian besar energi yang terkandung dalam molekul glukosa masih tersimpan di dalam alkohol. Itulah sebabnya, alkohol/etanol dapat digunakan sebagai bahan bakar. Fermentasi alkohol pada mikroorganisme merupakan proses yang berbahaya bila konsentrasi etanolnya tinggi. Secara sederhana, reaksi fermentasi alkohol ditulis :
Fermentasi asam laktat : Pada sel hewan ( juga manusia ) terutama pada sel-sel otot yang bekerja keras , energi yang tersedia tidaklah seimbang dengan kecepatan pemanfaatan energi karena kadar O2 yang tersedia tidak mencukupi untuk kegiatan respirasi aerob ( reaksi yang membutuhkan oksigen ). Proses fermentasi asam laktat dimulai dari lintasan glikolisis yang menghasilkan asam piruvat. Karena tidak tersedianya oksigen maka asam piruvat akan mengalami degradasi molekul ( secara anaerob ) dan dikatalisis oleh enzim asam laktat dehidrogenase dan direduksi oleh NADH untuk menghasilkan energi dan asam laktat. Secara sederhana reaksi fermentasi asam laktat ditulis sebagai berikut.
2CH3COCOOH ----------> 2CH3CHOHCOOH + 47 kkal asam piruvat asam laktat
Pada manusia, kejadian ini sering temukan ketika seseorang bekerja atau berolahraga berat/keras. Akibat kekurangan oksigen menyebabkan asam piruvat yang terbentuk dari tahapan glikolisis akan diuraikan menjadi asam laktat.yang menyebabkan timbulnya rasa pegal-pegal setelah seseorang bekerja/berolahraga berat/keras.
Reaksi anabolitik dipergunakan oleh organisme untuk membangun suatu senyawa kompleks yang disimpan di dalam sel sebagai sumber energi dan cadangan energi bagi mahkluk hidup. Kemampuan tumbuhan dan mikroorganisme tertentu untuk melakukan reaksi anabolitik lebih besar dibandingkan dengan hewan/ mahkluk hidup lainnya, karena Alloh melengkapi tumbuhan dan mikroorganisme tertentu dengan klorofil yang merupakan senyawa penting dalam proses sintesis . Adapun bentuk-bentuk reaksi anabolitik / proses penyusunan ( anabolisme ) berdasarkan sumber energi yang digunakan diklasifikasi menjadi 2, yaitu :
Fotosintesis
Reaksi anabolitik fotosintesis membutuhkan komponen-komponen penting sebagai pendukungnya, yaitu antara lain :
Bahan baku, berupa air dan carbondioksida
Sumber energi, berupa cahaya, khususnya spectrum merah, biru dan ungu
Pigmen, terutama klorofil a dan klorofil b yang terdapat dalam kloroplas
Secara ringkas reaksi anabolitik fotosintesis ditulis sbb:
Reaksi anabolitik fotosintesis, sebenarnya terdiri atas dua tahap, yaitu :
1. Tahap reaksi terang ( Reaksi HILL )
Tahap ini terjadi di bagian kloroplas bernama Grana ( pada membrane tilakoid ).Dimana pada tahapan ini cahaya ( matahari ) merupakan sumber energi yang oleh klorofil digunakan sebagai penghantar energi ( sensibilisator ) diubah menjadi energi kimia. Energi ini digunakan untuk memecah molekul air menjadi H+ dan OH-. Pemecahan molekul air ini disebut fotolisis.Dari tahapan ini akan dihasilkan ATP, NADPH2 dan O2.
Reaksi ini terjadi pada stroma, tanpa memerlukan cahaya. Reaksi dimulai dengan pengikatan ( fiksasi ) CO2 dengan bantuan energi ATP dan NADPH2 dari reaksi terang dan enzim RDP sehingga terjadi pengkombinasian antara hydrogen dan karbondioksida menjadi karbohidrat sederhana.
Kemosintesis
Reaksi anabolitik jenis ini berbeda dengan fotosintesis karena prosesnya tanpa memerlukan cahaya.Sebagai sumber energi reaksi ini adalah energi yang berasal dari reaksi kimia senyawa-senyawa organic tertentu.Contoh mikroorganisme yang mampu melakukan kemosintesis antara lain :
Katabolisme disebut juga desimilasi, karena energi yang telah tersimpan akan ditimbulkan kembali untuk melangsungkan aktifitas hidup. Salah satu bentuk katabolisme adalah respirasi sel. Dalam respirasi sel energi diperoleh dari pemecahan glukosa menjadi CO2 dan H2O. Respirasi sel berlangsung melalui 4 tahap, yaitu : glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus krebs dan Sistem Transport Elektron. Perhatikan tabel tahapan respirasi aerob, berikut !
Tabel 22.1 . Tahap-tahap respirasi aerob dan jumlah energi yang dihasilkan.
TAHAP
TEMPAT BERLANGSUNG
PROSES YANG TERJADI
AKSEPTOR
JML ATP
Glikolisis
Sitoplasma
Glukosa → 2 asam piruvat
( 6 C ) ( 3 C )
2 NADH
2 ATP
Dekarbok-
Silasi oksi-
Datif
Sitoplasma
2 as. Piruvat → 2 asetil ko A + 2CO2
2 NADH2
Siklus krebs
Mitokondria
Asetil ko A → ko A + CO2
( 2 C ) ( 1 C )
6 NADH + 2FADH2
2 ATP
System Transport elektron
Mitokondria
10NADH + 5O2→10NAD + 10H2O
2FADH2 + O2→ 2FAD + 10H2O
30 ATP
4 ATP
Tahap-tahap respirasi merupakan suatu tahapan yang melibatkan beberapa enzim sebagai katalis.
Skema tahapan Glikolisis :
Daur Krebs :
Macam Respirasi
Berdasarkan kebutuhan oksigen , respirasi dibedakan menjadi dua macam, yaitu :
Pertama , respirasi aerob. Respirasi ini membutuhkan oksigen sebagai penerima atom H. Pada umumnya respirasi jenis ini dilakukan oleh mahkluk hidup aerob seperti manusia, kebanyakan hewan dan tumbuhan. Secara ringkas reaksi kimia respirasi aerob ini dapat ditulis sebagai berikut :
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 675 kal + 38 ATP
Kedua, respirasi anaerob. Respirasi ini kebanyakan dilakukan oleh mikroorganisme aerobic atau sel-sel tertentu tanpa menggunakan oksigen sebagai penerima atom hidrogen. Reaksi kimianya ditulis :
C6H12O6→ 2C2H5OH + 2CO2 + 21 kal + 2 ATP
Respirasi anaerob juga disebut respirasi intramolekul atau fermentasi.Contoh : fermentasi alcohol, fermentasi asam laktat
Menurut Kuhne, seorang ahli yang getol meneliti tentang fermentasi dalam tahun 1878, istilah enzim berasal dari kata IN dan ZYME yang berarti sesuatu dalam ragi. Oleh karena ini pula maka enzim sering juga disebut fermen.Enzim merupakan suatu biokatalisator yang berarti dapat mempercepat berlangsungnya suatu reaksi kimia dalam tubuh tanpa dia mengalami perubahan struktur ( hanya sementara waktu terikat pada zat-zat yang bereaksi ). Enzim hanya berpengaruh pada substrat tertentu tetapi mampu bekerja secara bolak-balik ( reversible ).
Berdasarkan penelitian, diperoleh suatu kesimpulan bahwa enzim merupakan suatu protein yang berupa molekul-molekul besar dengan berat molekul mencapai ribuan. Sebagai contoh enzim katalase berat molekulnya mencapai 248.000. Secara structural, enzim terdiri atas bagian yang berupa protein dan bagian lainnya bukan protein. Bagian yang berupa protein dinamakan apoenzim yang bersifat termolabil. Bagian yang bukan protein adalah bagian enzim yang aktif dan diberi nama gugus prostetik. Gugus prostetik biasanya berupa logam atau suatu senyawa organic yang mengandung logam. Apo enzim dan gugus prostetik merupakan satu kesatuan yang disebut holoenzim.
Banyak enzim tidak akan bekerja tanpa adanya suatu zat non protein yang disebut kofaktor, seperti : Zn++, Cu++, Mn++, Mg++, K+, Fe++, atau Na+.Atau, kofaktor dapat berupa suatu molekul organic kecil yang disebut koenzim. Kelompok vitamin B ( B1 / thiamin, B2 / riboflavin ) berfungsi sebagai koenzim. Koenzim dapat terikat erat pada protein dari enzim sebagi gugus prostetik. Lainnya dapat terikat longgar atau hanya sementara waktu pada saat enzim melaksanakan fungsi katalitiknya.
Mengingat banyaknya jumlah enzim di dalam tubuh, sulit kita bayangkan bagaimana enzim melaksanakan fungsinya. Ada dua pendapat bagaimana cara enzim melaksanakan tugasnya.Pendapat pertama, memisalkan enzim sebagai gembok dengan lubang kuncinya
( karena memiliki suatu bagian yang dapat berikatan dengan substrat ), bagian ini dinamakan sisi aktif enzim. Sedangkan kunci dimisalkan sebagai substrat yang dapat masuk ke dalam lubang gembok sebagai sisi aktif enzim ( Model Kunci-Gembok / Lock and Key ). Pendapat kedua, menyatakan sisi aktif enzim dapat berubah bentuk, menyesuaikan bentuk subtract ketika reaksi berlangsung.Setelah reaksi berakhir , sisi aktif enzim kembali kebentuk asalnya ( Model Induksi Pas / Induced Fit ).
Dalam melaksanakan fungsinya, seringkali kerja enzim terganggu / terhambat oleh keberadaan suatu zat yang disebut inhibitor
( penghambat ), dan ini berakibat menurunnya kecepatan reaksi.Paling tidak ada dua jenis inhibitor. Inhibitor yang pertama adalah inhibitor kompetitif, yang memiliki struktur sama dengan struktur substrat sehingga terjadi perebutan sisi aktif enzim. Jika inhibotor lebih dulu berikatan dengan sisi aktif enzim, maka reaksi terhambat karena substrat tidak bisa berikatan dengan sisi aktif enzim.Jenis inhibitor kedua, adalah inhibitor non kompetitif dimana zat penghambat dapat berikatan dengan sisi lain selain sisi aktif enzim.Ikatan inhibitor dengan sisi lain dari enzim menyebabkan bentuk sisi aktif enzim berubah, sehingga substrat tidak dapat berikatan dengan enzim. Akibatnya reaksi terhambat.
-------------------------------------------
sumber : Kimball,Biologi jilid 1, Erlangga, Jakarta , 1999 dan Istamar S, Biologi kls XII IPA, Erlangga, Jakarta, 2004 )
