Metabolisme
Makhluk multiseluler, baik manusia, hewan, maupun tumbuhan tersusun atas jutaan sel. Tiap sel memiliki fungsi tertentu untuk kelangsungan hidup suatu organisme. Untuk menjalankan fungsinya, sel melakukan proses metabolisme.Metabolisme adalah reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam sel. Reaksi kimia ini akan mengubah suatu zat menjadi zat lain.
Metabolisme terdiri atas dua proses sebagai berikut.
1. Anabolisme
Anabolisme disebut juga sintesis, merupakan proses penyusunan bahan anorganik menjadi bahan organik. Dalam peristiwa ini diperlukan masukan energi (reaksi endergonik). Contoh dari anabolisme adalah proses fotosintesis yang bertahan dalam kloroplas.
Kloroplas
Kloroplas adalah organel yang hanya tersedia pada tumbuhan hijau. Organel ini memiliki membran rangkap dua, yaitu membran luar dan membran dalam. Membran dalam memiliki bentuk perluasan yang disebut lamela. Pada lamela terdapat modifikasi membran yang menyerupai tumpukan koin yang disebut grana. Setiap grana disusun oleh thilakoid. Pada thilakoid tersebut terdapat pigmen fotosintetik. Semua ruang bagian dalam kloroplas berisi cairan yang disebut stroma.
Fotosintesis
Reaksi fotosintesis ini merupakan reaksi redoks. Proses ini berlangsung dalam dua tahap, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.
1. Reaksi Terang / Light Reaction / Reaksi Hill
Reaksi terang merupakan tahap fotosintesis yang membutuhkan cahaya. Proses yang berlangsung pada thilakoid ini membutuhkan bahan: H2O, akseptor elektron berupa NADP (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat) dan pigmen fotosintetik.
Pigmen fotosintetik yang ada dalam thilakoid ada tiga macam:
- klorofil a, disebut juga photosystem I / photosystem 700
- klorofil b, disebut juga photosystem II / photosystem 680
- karotenoid (disebut juga pigmen antena), terdiri dari karoten dan xantofil
Peristiwa yang berlangsung pada reaksi terang adalah sebagai berikut: bila P700 menerima cahaya, elektronnya akan tereksitasi sehingga elektron lepas dari P700 dan diterima oleh feredoxin (akseptor primer). Feredoxin memberikan elektron pada NADP sehingga tereduksi menjadi NADPH. Karena P700 kehilangan elektron ia memperoleh gantinya dari P680.
Kapan P680 menerima cahaya, elektronnya tereksitasi sehingga lalu dan diterima oleh akseptor primer.Elektron berjalan dari akseptor primer ke sitokrom dan akhirnya ke P700. Saat elektron berpindah dari sitokrom ke P700 dilepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. P680 yang kehilangan elektron memperoleh ganti dari dari proses fotolisis air.
Reaksi terang merupakan tahap fotosintesis yang membutuhkan cahaya. Proses yang berlangsung pada thilakoid ini membutuhkan bahan: H2O, akseptor elektron berupa NADP (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat) dan pigmen fotosintetik.
Pigmen fotosintetik yang ada dalam thilakoid ada tiga macam:
- klorofil a, disebut juga photosystem I / photosystem 700
- klorofil b, disebut juga photosystem II / photosystem 680
- karotenoid (disebut juga pigmen antena), terdiri dari karoten dan xantofil
Peristiwa yang berlangsung pada reaksi terang adalah sebagai berikut: bila P700 menerima cahaya, elektronnya akan tereksitasi sehingga elektron lepas dari P700 dan diterima oleh feredoxin (akseptor primer). Feredoxin memberikan elektron pada NADP sehingga tereduksi menjadi NADPH. Karena P700 kehilangan elektron ia memperoleh gantinya dari P680.
Kapan P680 menerima cahaya, elektronnya tereksitasi sehingga lalu dan diterima oleh akseptor primer.Elektron berjalan dari akseptor primer ke sitokrom dan akhirnya ke P700. Saat elektron berpindah dari sitokrom ke P700 dilepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. P680 yang kehilangan elektron memperoleh ganti dari dari proses fotolisis air.
Keseluruhan perjalanan elektron tersebut disebut siklus non siklis, karena elektron berjalan dari H2O dan akhirnya diterima NADP. Bentuk lain dari lintasan elektron adalah siklus siklis. Siklus ini dimulai dari P700 yang menerima cahaya, elektron yang lalu diterima feredoksin tetapi tidak diberikan ke NADP melainkan ke sitokrom, lalu kembali ke P700. Saat elektron berjalan dari sitokrom ke P700 diproduksi energi yang digunakan untuk membentuk ATP.Dari keterangan pada dapat diketahui ada tiga bahan yang diproduksi saat reaksi terang, yaitu: NADPH, ATP, dan O2. Dua yang pertama digunakan sebagai bahan untuk terlaksananya reaksi gelap.
2. Reaksi Gelap / Dark Reaction / Siklus Calvin-Benson
Reaksi gelap merupakan tahap fotosintesis yang tidak membutuhkan cahaya. Proses yang berlangsung di stroma ini membutuhkan bahan yang dibentuk pada reaksi terang yaitu NADPH dan ATP, dan CO2 dari udara. Reaksi dimulai dari pengikatan CO2 oleh ribulosa difosfat (RDP) dan pada akhir siklus dibentuk fosfogliseraldehid (PGAL) yang kemudian diubah menjadi glukosa (lihat bagan di atas).
2. Katabolisme
Katabolisme adalah serangkaian proses kimia yang terjadi dalam tingkat seluler yang bertujuan mengubah materi organik yang kompleks menjadi materi anorganik yang lebih sederhana untuk menghasilkan energi.
Contoh dari katabolisme adalah proses penghasilan tenaga/respirasi.
Penghasilan tenaga yang terjadi di dalam sel terjadi dalam 4 tahap besar yaitu :
- Glikolisis
- Dekarboksilasi oksidatif
- Siklus Kreb’s
- Sistem transfer elektron.
Peristiwa yang terjadi dalam glikolisis (gliko atau glukosa ; lisis atau pecah ) adalah proses perombakan Glukosa.
Hal yang perlu diperhatikan dari sekarang adalah
- pahami jumlah atom karbon yang menyusun suatu senyawa
- letak terjadinya suatu reaksi
- apakah dihasilkan gas karbondioksida
- Apakah terjadi proses fosforilasi
fosforilasi adalah proses yang melibatkan pembentukan 3 phosphat dari 2 phophat atau dengan kata lain proses yang melibatkan ATP dan ADP.
Glukosa memiliki jumlah atom karbon (C) sebanyak 6. berikut ini adalah 10 tahapan glikolisis.
Konsep pada glikolisis adalah
- 1 molekul glukosa dengan 6 atom C akan dipecah menjadi 2 molekul asam piruvat.
Asam piruvat memiliki atom karbon sebanyak 3 buah. Reaksi kimia glikolisis keseluruhan adalah :
C6H12O6 –>2CH3COCO2H + 2ATP + 2 NADH reaksi ini terjadi di dalam sitoplasma.
Yang harus diperhatikan pada 10 reaksi glikolisis tersebut adalah :
- apakah dalam reaksi tersebut menghasilkan CO2?
- Apakah membutuhkan O2?
- Dimanakah letak-letak proses fosforilasi dan penghasilan NADH?
Pembahasan: reaksi ini terjadi di sitoplasma karena dalam reaksi ini tidak terjadi pengikatan oksigen maka reaksi ini bersifat anaerob. Jika dilihat dari hasil akhir reaksi pada molekul terakhir, asam piruvat, jumlah atom C tetap 6 maka reaksi glikolisis tidak terjadi pembebasan CO2.
Tahap ke dua dari proses katabolisme glukosa adalah dekarboksilasi oksidatif, yaitu pelepasan gugus karboksil dari asam piruvat yang membebaskan 1 molekul glukosa.Pada prinsipnya proses ini merubah molekul 3 karbon menjadi molekul 2 karbon.
karena dalam proses glikolisis dihasilkan 2 asam piruvat maka akan dihasilkan 2 molekul karbondioksida. Dampak dari pelepasan gugus karboksil adalah asam piruvat berubah menjadi asetil koenzim A. konsep yang perlu dipahami adalah setiap terjadi pelepasan gugus CO2 maka akan terjadi pengurangan jumlah karbon dalam molekul. contoh yang paling mudah adalah pada tahap ini yaitu asam piruvat (3C) berubah menjadi asetil Co-A (2C).
Tahap ketiga dari reaksi katabolisme glukosa adalah siklus Kreb’s.
Rangkaian reaksi ini berupa siklus. Reaksi ini terjadi di dalam matriks(cairan) mitokondria. Pada organisme eukariotik yang memiliki membran inti maka dibutuhkan energi sebesar 2 ATP. Akan tetapi pada organisme prokariotik yang tidak memiliki membran inti dan tidak memiliki mitokondria tidak membutuhkan ATP untuk melangsungkan siklus Kreb’s. inilah reaksinya:
Untuk mempelajari siklus ini perhatikanlah:
- Jumlah atom C pada setiap reaksi apakah terjadi pengurangan. jika terjadi pengurangan maka akan terjadi pelepasan gugug karboksil.
- dari sitrat sampai dengan isositrat tidak terjadi pengurangan jumlah atom c
- terjadi pengurangan atom C ketika menjadi molekul ketoglutarat
- terjadi lagi pengurangan atom C pada reaksi berikutnya sehingga terbentuk suksinil co-A
- Dari suksinil co-A sampai oksaloasetat tidak terjadi pengurangan atom C lagi
- .
- kesimpulannya pelepasan CO2 pada siklus krebs terjadi sebanyak 2 kali, jadi siklus krebs merupakan siklus dari 6C menjadi 4C dan kembali menjadi 6C dengan menambahkan 2 atom karbon dari asetil co-A pada oksaloasetat.
- Senyawa-senyawa yang melepaskan ion Hidrogen seperti : isositrat, alfa-ketoglutarat, suksinat dan malat. Karena senyawa-senyawa tersebut akan menghasilkan NADH atau FADH.kecuali suksinat akan menghasilkan NADH.
- perhatikan pula apakah menghasilkan ATP.
Dari berbagai informasi tentunya anda sudah mengetahui bahwa Siklus Kreb’s adalah reaksi kimia yang paling banyak menghasillkan energi. akan tetapi di sini mengapa Anda tidak melihat dihasilkan ATP satu pun. Menagapa?
Inilah jawabannya. Siklus Kreb’s merupakan reaksi penghasilan tenaga yang paling banyak adalah memang benar karena walaupun siklus krebs tidak menghasilkan ATP satu molekulpun akan tetapi pada siklus ini menghasilkan energi dalam ikatan NADH ataupun FADH. Nah FADH dan NADH inilah yang akan dikonversi menjadi ATP pada rangkaian reaksi berikutnya, yaitu sistem transfer elektron (STE) yang terjadi pada membran dalam mitokondria.
NADH dan FADH di dalam STE akan dikonversi menjadi ATP. 1 NADH akan menghasilkan ATP sebanyak 3 molekul. sedangkan FADH akan menghasilkan ATP sebanyak 2 molekul.
3. Kemosintesis
Kemosintesis merupakan contoh reaksi anabolisme selain fotosintesis. Kemosintesis adalah konversi biologis satu molekul karbon atau lebih (biasanya karbon dioksida atau metana), senyawa nitrogen dan sumber makanan menjadi senyawa organik dengan menggunakan oksidasi molekul anorganik (contohnya gas hidrogen, hidrogen sulfida) atau metana sebagai sumber energi, daripada cahaya matahari, seperti pada fotosintesis. Dalam penjelasan yang lebih sederhana, kemosintesis adalah anabolisme yang menggunakan energi kimia. Energi kimia yang digunakan pada reaksi ini adalah energi yang dihasilkan dari suatu reaksi kimia, yaitu reaksi oksidasi.
Organisme autotrof yang melakukan kemosintesis disebut kemoautotrof. Kemampuan melakukan kemosintesis hanya dimiliki oleh beberapa jenis mikroorganisme, misalnya bakteri belerang nonfotosintetik (Thiobacillus) dan bakteri nitrogen (Nitrosomonas dan Nitrosococcus). Banyak mikroorganisme di daerah laut dalam menggunakan kemosintesis untuk memproduksi biomassa dari satu molekul karbon. Dua kategori dapat dibedakan. Pertama, di tempat yang jarang tersedia molekul hidrogen, energi yang tersedia dari reaksi antara CO2 dan H2 (yang mengawali produksi metana, CH4) dapat menjadi cukup besar untuk menjalankan produksi biomassa. Kemungkinan lain, dalam banyak lingkungan laut, energi untuk kemosintesis didapat dari reaksi antara O2 dan substansi seperti hidrogen sulfida atau amonia. Pada kasus kedua, mikroorganisme kemosintetik bergantung pada fotosintesis yang berlangsung di tempat lain dan memproduksi O2 yang mereka butuhkan.
Reaksi kemosintesis pada bakteri belerang berlangsung sebagai berikut.

Bakteri nitrogen, seperti Nitrosomonas dan Nitrosococcus memperoleh energi hasil dengan cara mengoksidasi NH3 yang telah bereaksi dengan CO2 dan membentuk amonium karbonat ((NH4)2CO3).

Jenis bakteri lain yang mampu melaksanakan kemosintesis antara lain Nitrobacter. Bakteri ini mampu mengoksidasi senyawa nitrit dalam mediumnya. Hasilnya adalah senyawa nitrat dan membebaskan energi yang akan dipergunakan untuk menyintesis senyawa organik.

Organisme autotrof yang melakukan kemosintesis disebut kemoautotrof. Kemampuan melakukan kemosintesis hanya dimiliki oleh beberapa jenis mikroorganisme, misalnya bakteri belerang nonfotosintetik (Thiobacillus) dan bakteri nitrogen (Nitrosomonas dan Nitrosococcus). Banyak mikroorganisme di daerah laut dalam menggunakan kemosintesis untuk memproduksi biomassa dari satu molekul karbon. Dua kategori dapat dibedakan. Pertama, di tempat yang jarang tersedia molekul hidrogen, energi yang tersedia dari reaksi antara CO2 dan H2 (yang mengawali produksi metana, CH4) dapat menjadi cukup besar untuk menjalankan produksi biomassa. Kemungkinan lain, dalam banyak lingkungan laut, energi untuk kemosintesis didapat dari reaksi antara O2 dan substansi seperti hidrogen sulfida atau amonia. Pada kasus kedua, mikroorganisme kemosintetik bergantung pada fotosintesis yang berlangsung di tempat lain dan memproduksi O2 yang mereka butuhkan.
Reaksi kemosintesis pada bakteri belerang berlangsung sebagai berikut.

Bakteri nitrogen, seperti Nitrosomonas dan Nitrosococcus memperoleh energi hasil dengan cara mengoksidasi NH3 yang telah bereaksi dengan CO2 dan membentuk amonium karbonat ((NH4)2CO3).

Jenis bakteri lain yang mampu melaksanakan kemosintesis antara lain Nitrobacter. Bakteri ini mampu mengoksidasi senyawa nitrit dalam mediumnya. Hasilnya adalah senyawa nitrat dan membebaskan energi yang akan dipergunakan untuk menyintesis senyawa organik.

Proses :
Metabolisme juga berperan mengubah zat yang beracunmenjadi senyawa yang tak beracun dan dapat dikeluarkan dari tubuh. Proses ini disebut detoksifikasi. Umumnya, hasil akhir anabolisme merupakan senyawa pemula untuk proses katabolisme. Hal itu disebabkan sebagian besar proses metabolisme terjadi di dalam sel. Mekanisme masuk dan keluarnya zat kimia melalui membran sel mempunyai arti penting dalam mempertahankan keseimbangan energi dan materi dalam tubuh. Proses sintesis dan penguraian berlangsung dalam berbagai jalur metabolisme. Adapun hasil reaksi tiap tahap metabolisme merupakan senyawa pemula dari tahap reaksi berikutnya.
Proses metabolisme yang terjadi di dalam sel makhluk hidup seperti pada tumbuhan dan manusia, melibatkan sebagian besar enzim (katalisator) baik berlangsung secara sintesis (anabolisme) dan respirasi (katabolisme). Apa peran enzim di dalam reaksi kimia yang terjadi di dalam sel? Pada saat berlangsungnya peristiwa reaksi biokimia di dalam sel, enzim bekerja secara spesifik. Enzim mempercepat reaksi kimia yang menghasilkan senyawa ATP dan senyawa-senyawa lain yang berenergi tinggi seperti pada proses respirasi, fotosintesis, kemosintesis, sintesis protein, dan lemak.