Metabolisme Pada Makhluk Hidup

Metabolisme Pada Makhluk Hidup - 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 mungkin.

Mengapa tubuh atlet tersebut berkeringat serta napasnya tersengal- sengal ketika melakukan lari marathon? Berasal dari manakah keringat tersebut? Seperti yang Anda ketahui, keringat merupakan usaha tubuh untuk melepaskan panas sebagai hasil metabolisme sehingga suhu tubuh menjadi stabil. Metabolisme tidak hanya dilakukan oleh manusia, tetapi juga dilakukan oleh semua makhluk hidup ciptaan Tuhan Yang Maha Esa.

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

Selain metabolisme pada hewan dan manusia, Anda juga akan mempelajari metabolisme pada tumbuhan dan beberapa jenis bakteri, yaitu fotosintesis dan kemosintesis. Setelah anda menyimak pada penjelasan artikel berikut, Anda diharapkan dapat memahami materi tentang metabolisme pada makhluk hidup secara menyeluruh.

A. Molekul yang Berperan dalam Metabolisme

Motor dapat bergerak karena adanya energi. Energi yang didapatkan tersebut berasal dari bensin. Di dalam mesin motor, bensin mendapat energi minimum untuk bereaksi menghasilkan energi dari percikan api yang dipicu oleh busi. Suhu di dalam mesin pun dapat 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 dapat memenuhi kebutuhan energi pemicu pada keadaan seperti di mesin. Akan tetapi, dengan suhu yang cukup rendah, bahan makanan yang kita makan tetap dapat meng- hasilkan energi untuk menunjang aktivitas kita. Ternyata, tubuh organisme menyediakan molekul berenergi dan molekul yang dapat 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, serta 3 molekul fosfat (Gambar 2.1).

Struktur ATP

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 dapat diperbarui dengan menambahkan satu gugus fosfat pada ADP. Hal ini dapat dilakukan melalui respirasi sel pada hewan. Pada tumbuhan digunakan energi cahaya untuk membentuk ATP kembali.

Dalam proses transfer energi, terdapat 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.

1. 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. Perhatikan Gambar 2.2.

Substrat menempel pada sisi aktif enzim dan 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 bekerja dengan cara menurunkan energi aktivasi

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.

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.

(a) Teori lock and key (b) Teori induced fit. Apakah perbedaannya?

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.

e. Jenis enzim

Berdasarkan lokasi kerjanya, enzim dapat dibagi menjadi dua jenis, sebagai berikut.

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 (Gambar 2.5).

Setiap enzim akan bekerja optimal pada temperatur tertentu. Apa yang terjadi pada enzim tersebut jika suhu melebihi °C?

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 (Gambar 2.6). 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. Perhatikan Gambar 2.6.

Setiap enzim akan bekerja pada pH yang berbeda

3. Konsentrasi Substrat dan Konsentrasi Enzim

Kerja enzim sangat cepat maka untuk mengoptimalkan hasilnya, perlu perbandingan jumlah atau konsentrasi antara substrat dengan enzim yang sesuai. Jumlah substrat yang terlalu banyak dan konsentrasi enzim sedikit akan menyebabkan reaksi tidak optimal. Perhatikan Gambar 2.7.

Laju reaksi dibatasi oleh jumlah enzim yang akan mengubah substrat

Konsentrasi enzim membatasi laju reaksi. Enzim akan “jenuh” jika sisi aktif semua molekul enzim terpakai setiap waktu. Pada titik jenuh, laju reaksi tidak akan meningkat meskipun substrat ditambahkan. Jika konsentrasi enzim ditambahkan, laju reaksi akan meningkat hingga titik jenuh berikutnya.

4. Kofaktor

Kofaktor dapat membantu enzim untuk memperkuat ikatan dengan substrat atau kebutuhan unsur anorganik, seperti karbon. Selain itu, kofaktor juga membantu proses transfer elektron.

5. Inhibitor Enzim

Inhibitor mengganggu kerja enzim. Berdasarkan pengertian dari kata dasarnya (inhibit artinya menghalangi), inhibitor merupakan senyawa yang dapat menghambat kerja enzim. Inhibitor secara alami dapat berupa bisa (racun) yang dikeluarkan oleh hewan, seperti ular atau laba-laba. Inhibitor akan mencegah sisi aktif untuk tidak bekerja. Beberapa obat-obatan juga berfungsi sebagai inhibitor, seperti penisilin yang berguna menghambat kerja enzim pada mikroorganisme.

Inhibitor terbagi atas dua macam, yakni inhibitor kompetitif dan inhibitor nonkompetitif. Pada inhibitor kompetitif, inhibitor ini akan bersaing dengan substrat untuk bergabung dengan enzim sehingga kerja enzim akan terganggu. Sementara itu, inhibitor nonkompetitif tidak akan bersaing dengan substrat untuk bergabung dengan enzim karena memiliki sisi ikatan yang berbeda (Keeton and Gould, 1986: 81).

(a) Kompleks enzim substrat tanpa inhibitor (b) inhibitor kompetitif (c) inhibitor nonkompetitif. Apa perbedaan kedua inhibitor tersebut?

6. Kadar Air

Kerja enzim sangat dipengaruhi oleh air. Rendahnya kadar air dapat menyebabkan enzim tidak aktif. Sebagai contoh, biji tanaman yang dalam keadaan kering tidak akan berkecambah. Hal ini disebabkan oleh tidak aktifnya enzim sebagai akibat dari rendahnya kadar air dalam biji. Biji akan berkecambah jika direndam. Kadar air yang cukup dapat mengaktifkan kembali enzim.

B. Metabolisme Karbohidrat

Keseluruhan reaksi kimia di dalam tubuh organisme yang melibatkan perubahan energi disebut metabolisme. Sebagai makhluk hidup, energi dapat 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. 

1. 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 dapat 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 dapat 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). Secara singkat, proses yang terjadi sebagai berikut.

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.

Energi yang dihasilkan dari respirasi sel adalah ATP

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). Secara lengkap, proses glikolisis yang terjadi sebagai berikut (Gambar 2.10).

Proses glikolisis berlangsung dalam sembilan tahap. Berapa jumlah ATP yang dihasilkan  dari proses ini?

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 aan 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+. Perhatikan Gambar 2.11. 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.

Dekarboksilasi oksidatif asam piruvat menghasilkan CO2, 2 asetil- KoA, dan 2 molekul NADH

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.

Dekarboksilasi oksidatif asam piruvat menghasilkan CO2, 2 asetil- KoA, dan 2 molekul NADH

Setiap tahapan dalam daur asam sitrat dikatalis oleh enzim yang khusus. Berikut adalah beberapa tahapan yang terjadi dalam daur asam sitrat. (Gambar 2.12).

1. Asetil-KoA akan menyumbangkan gugus asetil pada oksaloasetat sehingga terbentuk asam sitrat. Koenzim A akan dikeluarkan dan digantikan dengan penambahan molekul air.
2. Perubahan formasi asam sitrat menjadi asam isositrat akan disertai pelepasan air.
3. 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.
4. Asam suksinat tiokinase membantu pelepasan gugus KoA dan ADP mendapatkan donor fosfat menjadi ATP. Akhirnya, suksinil-KoA berubah menjadi asam suksinat.
5. 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.
6. Asam Fumarat akan diubah menjadi asam malat dengan bantuan enzim fumarase.
7. Asam malat akan membentuk asam oksaloasetat dengan bantuan enzim asam malat dehidrogenase. NAD+ akan menerima sumbangan elektron dari tahap ini dan membentuk NADH.
8. 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.

1. 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.
2. 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. 
3. Elektron akan berpindah dari ubiquinon ke protein yang mengandung besi dan sulfur (FeSa dan FeS )‹ sitokrom b ‹ koenzim quinon ‹ sitokrom b2 sitokrom o‹ sitokrom c ‹ sitokrom a ‹ sitokrom a dan terakhir diterima oleh molekul oksigen sehingga terbentuk H2O perhatikan Gambar 2.13.

Sistem transfer elektron membentuk energi selama oksidasi yang dibantu oleh enzim pereduksi

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.

Tabel 2.1 Tahap Reaksi pada Respirasi

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 (Gambar 2.14) .

Pada langkah pertama fermentasi alkohol, terjadi pembebasan CO₂. Apa hasil akhir reaksi ini?

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 (Gambar 2.15). Pada fermentasi asam laktat, asam piruvat bereaksi secara langsung dengan NADH membentuk asam laktat. Fermentasi asam laktat dapat berlangsung ketika pembentukan keju dan yoghurt.

Fermentasi asam laktat diawali dengan proses glikolisis yang menghasilkan asam piruvat

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.

2. 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 (Gambar 2.16).

Cahaya matahari merupakan sumber energi terbesar yang dibutuhkan oleh organisme

1. 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. Perhatikan gambar berikut.

Proses fotosintesis terjadi di kloroplas

Seperti halnya respirasi sel, reaksi dari fotosintesis ini merupakan reaksi reduksi dan oksidasi. Reaksi umum yang terjadi pada proses fotosintesis sebagai berikut.

b. Sumber 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 (perhatikan Gambar 2.18). 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.

Setiap spektrum warna memiliki pengaruh yang berbeda terhadap proses fotosintesis

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 fotolisis.

1. 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 (Gambar 2.19).

Add captionReaksi siklik hanya memiliki fotosistem I

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).

Reaksi nonsiklik diawali dari fotosistem II dan terjadi fosforilasi fotosintesis. Mengapa rangkaian reaksi ini disebut reaksi nonsiklik?

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. Perhatikan Gambar 2.21.

Reaksi gelap terjadi dalam tiga tahap

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.

CO2  + 4H2 ➝ CH4 + 2H2O

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.

H2 + S ➝ H2S + energi

C. Hubungan antara Katabolisme Karbohidrat, Lemak, dan Protein

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.

Pada Gambar 2.22, dijelaskan bagaimana sel menggunakan ketiga molekul utama pada makanan untuk menghasilkan ATP. 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.

Katabolisme zat makanan menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk aktivitas makhluk hidup

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. 

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.

Baca juga

Pertumbuhan dan Perkembangan

Cukup sekian postingan yang admin bagikan mengenai Metabolisme Pada Makhluk Hidup. Semoga bermanfaat.