Biologi · Bab 2 Metabolisme

Ida

22/08/2021 10:33:58

SMA 12 K-13

Daftar Isi

Bab 1 Percobaan Pertumbuhan pada Tumbuhan Bab 2 Metabolisme Bab 3 Hereditas Bab 4 Evolusi Makhluk Hidup bab 5 Bioteknologi

Halaman

Metabolisme

Bab II

TUJUAN PEMBELAJARAN

Setelah mempelajari bab ini, siswa dapat:

menjelaskan pengertian metabolisme dan mendeskripsikan fungsi enzim dalam

proses metabolisme;

menguraikan proses-proses katabolisme dan anabolisme karbohidrat;

mengaitkan proses metabolisme karbohidrat dengan metabolisme lemak dan

metabolisme protein;

mengumpulkan informasi teknologi yang berkaitan dengan metabolisme makanan.

Sumber:

Biology,

Printice-Hall

Metabolisme

Biologi Kelas XII SMA dan MA

PETA KONSEP

Metabolisme

Komponen

Utama dalam

Metabolisme

Proses Katabolisme

Karbohidrat

Proses Anabolisme

Karbohidrat

Enzim

ATP

Karakteristik

Enzim

Mekanisme

Kerja Enzim

Fotosintesis

Kemosistesis

Reaksi

Redoks

Glikolisis

Respirasi

Aerob

Respirasi

Anaerob

Rantai

Transpor

Elektron

meliputi

terdiri dari

mempunyai

terdiri dari tahap-tahap

Metabolisme

amu pasti sudah tahu bahwa salah satu kebutuhan utama makhluk hidup

adalah makanan. Makanan merupakan bahan utama yang kita butuhkan

untuk menghasilkan energi guna melaksanakan semua aktivitas hidup.

Bagaimana dan di mana makanan dapat diubah menjadi suatu bentuk energi

yang siap pakai sehingga suatu aktivitas dapat terjadi? Kamu pasti sudah

menduga bahwa perubahan makanan menjadi energi, tentu terjadi dalam

sel sebagai suatu satuan fungsional dan struktural terkecil yang menyusun

tubuh makhluk hidup. Pada bab ini kita akan membahas tentang bagaimana

proses perubahan suatu zat makanan menjadi suatu bentuk energi siap pakai

melalui reaksi katabolisme dan bagaimana makhluk hidup, khususnya

tumbuhan membentuk suatu zat asal menjadi zat makanan yang siap

dimanfaatkan melalui reaksi anabolisme.

Sel sebagai satuan fungsional dan struktural terkecil dalam tubuh

makhluk hidup, dapat diibaratkan sebagai suatu mesin kimia. Sebagaimana

suatu mesin kimia, untuk mempertahankan kelangsungan hidup mesin

tersebut, sel mengonsumsi bahan bakar berupa makanan (terutama glukosa)

dan membebaskan hasil berupa energi dan zat sisa berupa karbon dioksida

dan air. Energi yang dihasilkan sel dari bahan makanan digunakan untuk

melakukan kerja, yaitu bergerak, memperbaiki bagian yang rusak, menyusun

bagian tubuh, dan aktivitas lainnya. Proses perubahan zat makanan menjadi

energi yang siap digunakan, harus melalui suatu rangkaian reaksi kimia yang

tidak sederhana. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, reaksi kimia ini terjadi

pada sel yang merupakan materi hidup sehingga reaksinya adalah reaksi

biokimia

. Seluruh proses atau reaksi biokimia dalam sel untuk memperoleh

dan menggunakan energi guna melaksanakan aktivitas serta untuk menjaga

kelangsungan hidupnya disebut

metabolisme

. Metabolisme terdiri atas reaksi

pemecahan makanan menjadi energi atau katabolisme dan reaksi

pembentukan zat makanan atau anabolisme. Untuk mengetahui konsep-

konsep penting yang akan dipelajari dalam bab ini, kamu dapat melihat bagan

konsep pada halaman sebelumnya.

A. Komponen-Komponen Utama Metabolisme

Seperti telah disinggung pada bagian pendahuluan, untuk berlang-

sungnya suatu proses metabolisme, dibutuhkan komponen-komponen

penunjang. Tanpa komponen-komponen tersebut, peristiwa metabolisme

tidak dapat berjalan dengan lancar. Di bawah ini akan dibahas komponen

penunjang yang penting dalam metabolisme meliputi enzim, ATP, serta reaksi

oksidasi dan reduksi.

Biologi Kelas XII SMA dan MA

1. Enzim

Reaksi-reaksi dalam metabolisme adalah suatu peristiwa perubahan dari

suatu bentuk ke bentuk lain. Untuk terjadinya perubahan dibutuhkan

penyediaan energi untuk mengaktifkan reaksi yang disebut energi aktivasi.

Setiap reaksi membutuhkan energi tersebut. Dalam suatu reaksi biokimia

tanpa enzim, energi aktivasi yang dibutuhkan jauh lebih besar dibandingkan

reaksi biokimia dengan bantuan enzim. Dengan kata lain, enzim dapat

menurunkan energi aktivasi yang berarti kebutuhan energi menjadi berkurang

dan reaksi menjadi lebih efisien. Jadi, dapat dikatakan bahwa enzim adalah

suatu biokatalisator (katalis kehidupan). Perhatikan Gambar 2.1.

Gambar 2.1

Hubungan antara energi aktivasi dan kerja enzim sebagai katalis reaksi

reaksi tanpa

dikatalisis

reaksi dengan

dikatalisis

energi

aktivasi

keadaan

awal

keadaan

tranmisi

reaksi tanpa dikatalisis

reaksi dengan dikatalisis

keadaan akhir

energi reaksi

tanpa enzim

reaksi tanpa dikatalisis (tanpa penambahan enzim)

reaksi dengan dikatalis (dengan penambahan enzim)

energi

reaksi yang

ditambah

enzim

energi

aktivasi

∅

perjalanan reaksi

Sumber:

Biological Science,

Green

Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa enzim adalah suatu katalis

biologis yang sangat penting dalam suatu reaksi biokimia karena tanpa adanya

enzim, reaksi tersebut akan berlangsung sangat lambat dan membutuhkan

energi aktivasi yang tinggi dan kelangsungan hidup sel menjadi terganggu.

Enzim dapat bekerja dalam reaksi pembentukan maupun penguraian. Contoh

enzim yang bekerja dalam reaksi pembentukan adalah glutamin sintetase

dengan reaksi sebagai berikut.

Glutamin

sintetase

Asam glutamat + amonia + ATP

⎛⎛⎛∅

glutamin + air + ADP + P

Contoh enzim yang bekerja dalam reaksi penguraian adalah maltase

dengan reaksi sebagai berikut:

maltase

Zat tepung + air

⎛⎛⎛∅

maltosa

keadaan

transisi

keadaan akhir

Metabolisme

Gambar 2.2

Mekanisme kerja enzim dalam mengatalisis reaksi kimia suatu substrat

menjadi produk

a. Awal pembentukan kompleks enzim

substrat.

b. Terbentuk kompleks enzim substrat

dengan perubahan bentuk enzim.

c. Pembentukan produk dari substrat.

d. Produk dilepaskan dari enzim.

(a)

(b)

(c)

(d)

enzim

produk

substat

active site

Sumber:

Essemtial of Biology,

Hopson

Karakteristik dan Mekanisme Kerja Enzim

Enzim adalah suatu senyawa yang ter

diri atas dua bagian (enzim lengkap/

holoenzim), yaitu

bagian protein

dan

bagian bukan protein

. Bagian protein disebut

apoenzim dan bagian bukan protein disebut gugus protestik. Gugus prostetik

yang berasal dari molekul anorganik (misalnya besi, tembaga, atau seng) disebut

kofaktor, sedangkan gugus protestik yang berasal dari senyawa organik

kompleks disebut koenzim (misalnya NADH, FADH, koenzim A).

Dalam sel hidup dapat terkandung beratus-ratus enzim untuk

mengatalisis reaksi-reaksi yang berlainan. Sifat utama enzim adalah bersifat

sangat spesifik, yaitu hanya dapat mengatalisis suatu reaksi tertentu, misalnya

enzim sukrase hanya dapat mengatalisis reaksi perubahan dari sukrosa

menjadi glukosa dan fruktosa. Bahan tempat enzim bekerja disebut

substrat

sedangkan hasil reaksinya disebut

produk

Spesifitas enzim berhubungan dengan strukturnya. Pada permukaan

molekul enzim terdapat suatu area kecil yang disebut tapak aktif (

active site

)

yang merupakan tempat terikatnya substrat dengan molekul enzim. Bentuk

active site

menentukan substrat yang dapat bereaksi dengan enzim tersebut

untuk membentuk suatu produk. Kesesuaian antara permukaan substrat dan

active site

seperti kecocokan antara kunci dan anak kuncinya.

Sifat lain enzim adalah tidak ikut dalam reaksi. Berarti enzim hanya

memproses substrat menjadi suatu produk tanpa ikut mengalami perubahan

dalam reaksi tersebut sehingga enzim dapat digunakan kembali untuk

mengatalisis reaksi yang sama pada kesempatan berikutnya. Jadi, secara

umum enzim mempunyai sifat bekerja pada substrat tertentu, bekerja pada

suhu tertentu, tidak ikut bereaksi, dan bekerja pada pH tertentu. Mekanisme

kerja enzim dalam mengatalisis reaksi kimia suatu substrat menjadi suatu

produk dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Biologi Kelas XII SMA dan MA

Dalam melakukan aktivitasnya, kecepatan reaksi enzim dipengaruhi oleh

beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut meliputi konsentrasi enzim,

konsentrasi substrat, temperatur dan pH.

2. ATP (Adenosin Trifosfat)

ATP adalah molekul koenzim yang tersusun dari ikatan adenin purin

yang terikat pada gula yang mengandung 5 atom C, yaitu ribose dan tiga

gugus fosfat (lihat Gambar 2.3). Seperti telah disinggung sebelumnya, energi

yang dihasilkan dalam suatu reaksi metabolisme disimpan dalam bentuk ATP

dan energi dalam bentuk ini sewaktu-waktu siap digunakan. Dengan

demikian, ATP adalah sumber energi instan di dalam sel. Ketika sel

membutuhkan energi, ATP dapat segera dipecahkan melalui proses hidrolisis

(reaksi dengan air). Energi dalam bentuk ATP bersifat mobil dan dapat

ditranpor serta digunakan di seluruh bagian sel. Karena perannya dalam

menyimpan energi, ATP sering disebut sebagai penyimpan energi universal.

Apabila energi yang dikandung

dalam ATP digunakan, ATP dapat

dihidrolisis dengan cara melepaskan

dua ikatan fosfat antara ikatan fosfat

kedua dan ketiga, dan dihasilkan

ADP (Adenosin Difosfat). Hidrolisis

ini akan menghasilkan pembebasan

energi sebanyak 30,6 kJ (kilo Joule),

yang dapat digunakan untuk ber-

bagai aktivitas sel. ADP sebagai hasil

pemecahan ATP dapat

direfosforilasi

(penambahan kembali fosfat) men-

jadi ATP kembali, dengan menam-

bahkan 1 gugus fosfat dan energi

sebesar 30,6 kJ.

Karena semua energi kimia

dalam sel disimpan dalam bentuk ATP, proses mengonsumsi energi yang

dibutuhkan sel hanya berlangsung dalam suatu sistem, yaitu dengan

mengambil sumber energi dari ATP. Hal ini bagi sel sangatlah efisien.

3. Reaksi Oksidasi Reduksi

Secara sederhana bagaimana energi dari makanan/nutrisi tersimpan

dalam ATP dan tidak terbuang sebagai suatu panas? Suatu reaksi metabolik

kunci dalam sel melibatkan reaksi oksidasi dan reduksi. Dalam reaksi tersebut

terjadi suatu aliran eklektron dari satu molekul ke molekul lain yang berfungsi

sebagai suatu arus energi dalam sel.

OH OH

Gambar 2.3

Struktur molekul ATP

AT P

∅

P – P – P

{

Adrenalin

Sumber:

Biological Science, Green

Metabolisme

Sel memperoleh sebagian besar energinya dengan mengoksidasi molekul

makanan selama proses respirasi. Oksidasi adalah pelepasan suatu elektron

dari satu atom atau satu senyawa, sedangkan reduksi adalah reaksi

penambahan elektron. Oksidasi juga bisa berarti penambahan oksigen dan

reduksi adalah pelepasan oksigen. Kedua reaksi ini selalu terjadi secara

simultan/bersamaan, yaitu ketika elektron dipindahkan dari molekul yang

bersifat sebagai donor (pemberi) elektron ke molekul lain yang bertindak

sebagai akseptor (penerima) elektron. Dengan melepaskan elektronnya, do-

nor elektron akan menjadi molekul yang teroksidasi dan dengan menerima

elektron, akseptor elektron akan menjadi molekul yang tereduksi. Reaksi

simultan antara oksidasi dan reduksi disebut reaksi redoks (Gambar 2.4).

Dalam metabolisme sel, reaksi redoks inilah yang paling banyak terjadi.

oksidasi

jumlah

muatan

jumlah

muatan

jumlah

muatan

jumlah

muatan

oksidasi

OKSIDASI

REDUKSI

reduksi

a. Pemindahan suatu elektron

b. Suatu atom H dapat dipindahkan

bersama elektron

Gambar 2.4

Reaksi redoks

Kebanyakan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel terjadi dengan

pemindahan elektron dalam bentuk atom hidrogen. Atom hidrogen

mengandung satu proton (H

) dan satu elektron (e

–

). Seperti halnya tranfer

elektron, transfer atom hidrogen juga terjadi dalam reaksi yang berpasangan.

Dalam reaksi oksidasi reduksi yang terjadi dalam metabolisme, ada dua

koenzim penting yang bertindak sebagai pembawa elektron. Koenzim tersebut

adalah NAD (nikotinamid adenin dinukleotida) dan FAD (flavin adenin

dinukleotida). Keduanya mempunyai struktur yang analog (Gambar 2.5a).

Pada saat NAD direduksi menjadi NADH (Gambar 2.5b), dua elektron dan

satu proton akan ditambahkan ke dalam molekulnya. Elektron-elektron

tersebut selanjutnya dapat dipindah-pindahkan selama satu seri reaksi

berantai yang menghasilkan banyak energi untuk pembentukan ATP.

Sumber:

Essemtial of Biology,

Hopson

Biologi Kelas XII SMA dan MA

HO O

nikotinamida

fosfat

sisi reaktif

nukleiotida

pertama

nukleiotida

kedua

fosfat

adenin

ribosa

OH OH

Gambar 2.5

Struktur molekul NAD

nukleotida

pertama

nukleotida

kedua

B. Proses Katabolisme Karbohidrat

Pada bagian terdahulu, telah dibahas bahwa guna memperoleh energi,

bahan bakar yang tersedia dalam sel harus mengalami suatu proses

pemecahan/penguraian. Proses pemecahan bahan bakar menjadi energi yang

siap digunakan kita sebut

katabolisme

, dan secara umum dikenal dengan proses

respirasi

. Respirasi secara umum dapat didefinisikan sebagai proses

pembebasan energi kimia melalui reaksi oksidasi (penambahan oksigen)

suatu molekul organik. Dari peristiwa ini akan dihasilkan energi dalam bentuk

ATP serta CO

, dan air (H

O) sebagai hasil sisa. Jika molekul organik tersebut

adalah karbohidrat berupa glukosa, secara sederhana respirasi sel dapat ditulis

dengan persamaan reaksi seperti di bawah ini:

+ 6O

⎛⎛∅

6CO

+ 6H

O + 38 ATP

Sumber:

Essential of Biology,

Hopson

glukosa

Metabolisme

Karena terjadi di dalam sel, proses ini selanjutnya disebut respirasi sel.

Hal ini untuk membedakan dengan proses respirasi eksternal yang

merupakan pertukaran gas yang terjadi pada organ pernapasan. Jika proses

respirasi sel terjadi dalam kondisi ada oksigen, disebut

respirasi aerob

sebaliknya tanpa oksigen, disebut

respirasi anaerob

Dalam respirasi sel, molekul organik (misalnya karbohidrat atau lemak)

dipecahkan ikatan demi ikatannya melalui suatu seri reaksi yang dikontrol

oleh enzim. Setiap pemecahan ikatan membebaskan sejumlah kecil energi

yang kemudian diikat dalam bentuk molekul kimia ATP.

Jika dalam respirasi sel, molekul yang digunakan sebagai substrat untuk

dioksidasi adalah gula berupa glukosa, prosesnya terdiri atas tiga tahapan,

yaitu

glikolisis, dekarboksilasi oksidatif (siklus Krebs/siklus asam sitrat)

dan

fosforilasi

oksidatif (rantai transpor elektron/rantai respiratori)

. Pada dasarnya ketiga tahapan

ini merupakan suatu rangkaian reaksi yang mengubah senyawa C

menjadi

(glikolisis), mengubah C

menjadi C

(dekarboksilasi oksidatif), dan

mengubah C

menjadi C

pada siklus Krebs. Pada tiap tingkat dilepaskan

energi berupa ATP dan hidrogen. Hidrogen yang berenergi bergabung dengan

akseptor hidrogen untuk dibawa ke rantai transpor elektron agar energinya

dilepaskan dan hidrogen dipertemukan dengan O

menjadi H

1. Glikolisis

Glikolisis adalah fase pertama dari suatu tahapan reaksi yang terjadi dalam

respirasi sel, ketika sel memecahkan molekul glukosa yang mengandung 6 atom

C menjadi 2 molekul asam piruvat yang mengandung 3 atom C. Glikolisis terjadi

dalam sitoplasma sel dan bukan dalam mitokondria serta tidak membutuhkan

oksigen.

Proses glikolisis dapat dibagi menjadi dua tahapan besar, yaitu pertama

perubahan

glukosa

menjadi

fruktosa 1,6-difosfat

(gula yang mengandung 6 C

dan 2 fosfat). Kedua adalah pemecahan

fruktosa 1,6-difosfat

menjadi gula

dengan 3 atom C, yaitu

asam piruvat

. Secara keseluruhan reaksinya dapat

dilihat pada Gambar 2.6.

Dari kedua tahap reaksi tersebut dua molekul ATP digunakan untuk

reaksi fosforilasi, pada tahap pertama (selama perubahan dari glukosa menjadi

fruktosa 1,6-difosfat), dan 4 ATP dihasilkan dari reaksi kedua. Jadi,

hasil bersih

ATP dari glikolisis adalah 4 - 2 =

2 ATP

Selain terjadi penambahan gugus fosfat, selama glikolisis juga terjadi

reaksi dehidrogenasi (pelepasan atom H), atom H yang dilepaskan ditangkap

oleh akseptor hidrogen, yaitu koenzim NAD. Molekul NAD yang menangkap

hidrogen menjadi molekul yang tereduksi, yaitu NADH

. Pembahasan

tentang NAD dan NADH

akan dilakukan pada penjelasan berikutnya.

Biologi Kelas XII SMA dan MA

(-1 ATP)

)

(+2 ATP)

Jumlah = 2 ATP

glukosa (gula dengan 6 atom C/C6)

polisakarida

pada tanaman

ATP

ADP

ATP

ADP

polisakarida

pada hewan

glukosa-6-fosfat

fruktosa-6-fosfat

fruktosa-1, 6-difosfat (gula dengan 6 atom C dan 2 fosfat)

lisis

dihidraksikatenon

fosfat

fosfogliseraldehid (PGAL)

(fosfat inorganik)

ATP

2 x NAD

2 ADP

2 ATP

2 x NADH

ADP

2 x 1,3- asam difosfogliserat

2 x 3-asam fosfoglierat

(several steps omitted)

2 x asam piruvat (3C)

2 ADP

2 ATP

Gambar 2.6

Tahapan reaksi glikolisis

Secara sederhana reaksi glikolisis dapat dituliskan sebagai berikut.

⎛⎛∅

+ 2NADH

+2ATP

glukosa as. Piruvat

Sumber:

Biological Science,

Green

Metabolisme

Nasib akhir asam piruvat bergantung pada tersedia tidaknya oksigen

dalam sel. Jika tersedia oksigen, asam piruvat akan masuk ke dalam

mitokondria dan akan dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air (respirasi

aerob). Jika sebaliknya (tidak tersedia oksigen dalam sel), asam piruvat akan

diubah menjadi

etanol

atau

asam laktat

(respirasi anaerob).

2. Respirasi Aerob

Respirasi aerob melibatkan dua tahapan reaksi.

Pertama,

jika oksigen yang

akan digunakan cukup tersedia, molekul asam piruvat akan masuk ke dalam

mitokondria. Di dalam mitokondria, asam piruvat mengalami

dekarboksilasi

oksidatif,

yaitu pelepasan CO

dan reaksi oksidasi dengan melepaskan

hidrogen (dehidrogenasi). Selama proses tersebut, asam piruvat digabungkan

dengan suatu substansi yang disebut

koenzim A

(sering ditulis sebagai

CoAS-

) untuk membentuk

asetil koenzim A (acetyl CoA)

. Sejumlah energi dilepaskan

untuk membentuk ikatan kaya energi dalam molekul asetil koenzim A. Secara

ringkas reaksi dekarboksilasi oksidatif dapat ditulis:

COCOOH + CoAS-H + NAD

⎛∅

CO-S-CoA +CO

+ NADH

Asam piruvat

koenzim A

asetil koenzim A

NADH

yang dibentuk sebagai hasil pembentukan asetil koenzim A

dikumpulkan dan diikat ke dalam rantai respirasi dalam mitokondria.

Fase

Kedua

respirasi aerob adalah

siklus Krebs

(berdasarkan nama

penemunya yaitu Sir Hans Krebs). Gugus asetil (2C) dari asetil koenzim A

selanjutnya akan masuk ke siklus Krebs melalui reaksi hidrolisis

(penambahan air), dengan melepaskan koenzim A. Gugus asetil tadi

kemudian akan bergabung dengan asam oksaloasetat (mengandung 4 atom

C) membentuk asam sitrat (6C). Reaksi tersebut membutuhkan energi dan

energinya diambil dari ikatan kaya energi dari asetil koenzim A. Suatu siklus

reaksi akan berlangsung jika gugus asetil yang berasal dari asetil CoA

didehidrogenasi untuk membebaskan 4 atom hidrogen dan didekarboksilasi.

Selama proses selanjutnya oksigen diambil dari air dan oksigen tersebut

digunakan untuk mengoksidasi dua atom C menjadi CO

. Peristiwa ini

dinamakan

dekarboksilasi oksidatif

. Pada akhir siklus, asam oksaloasetat

terbentuk kembali dan berikatan dengan molekul asetil Co A yang lain dan

siklus berlangsung lagi.

Satu molekul ATP, 4 pasang atom H dan 2 molekul CO

akan dibebaskan dalam setiap oksidasi 1 molekul asetil CoA. Atom H yang

dilepaskan selanjutnya ditangkap oleh NAD dan FAD dan akan masuk ke

rantai transpor elektron. Karena selama oksidasi molekul glukosa dihasilkan

dua molekul asetil CoA, siklus Krebs harus berlangsung dua kali. Oleh

karena itu,

hasil bersih dari oksidasi satu glukosa adalah 2 ATP, 4 CO

dan 8

pasang atom H

yang akan masuk ke rantai transpor elektron. Secara ringkas

siklus Krebs dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Biologi Kelas XII SMA dan MA

asam fumarat

(4C)

NADH

2 H + NAD

NADH

FADH

NADH

Semua hidrogen

diikat pada rantai

tranpor

2 H

Ko. A

NAD

NADH

CoA (CoAS-H)

ke rantai

respirasi

asam piruvat (3C)

asam oksaloasetat (4C)

asam malat (4C)

asam sitrat

(6C)

asam

suksinat (4C)

asam

ketglutarat (5C)

Asetil Ko.A (2C)

(CH

CO-S-CoA)

NAD = nikotinamid dunukleotia

FAD = flavoadenin dinukleotia

Gambar 2.7

Diagram ringkas siklus krebs

+ FAD

+ NAD

3. Rantai Transpor Elektron

Pasangan

pasangan atom H yang dibebaskan selama siklus Krebs,

ditangkap oleh koenzim NAD dan FAD dan selanjutnya menjadi NADH

dan FADH

yang selanjutnya akan masuk ke rantai transpor elektron.

Molekul-molekul tersebut kemudian mengalami rangkaian reaksi redoks yang

terjadi secara berantai dengan melibatkan beberapa zat perantara untuk

menghasilkan ATP dan air. Rantai transpor elektron terjadi dalam

mitokondria. Zat-zat perantara yang terlibat dalam rantai transpor elektron

meliputi

flavoprotein, koenzim Q

serta sejumlah

sitokrom

(sitokrom b,

sitokrom c, dan sitokrom a dan a

). Dalam rangkaian reaksi tersebut, semua

zat antara berfungsi sebagai pembawa hidrogen/pembawa elektron dan

disebut hidrogen atau

elektron carriers

. Perhatikan Gambar 2.8.

Sumber:

Essentials of Biology,

Hopson

Metabolisme

NAD

NADH

asam suksinat

asam fumarat

FAD

ADP

ATP

ADP

ATP ADP

ATP

FPH

FADH

CoQH

CoQ

2Fe

sitokrom

sitokrom a + a

(enzim sito-

krom oksidase)

2Fe

2CU

Gambar 2.8

Diagram rantai transpor elektron

Sumber:

Biological Science,

Green

Biologi Kelas XII SMA dan MA

Glukosa

As. piruvat

Hidrogen

Asetil KoA

2 FADH

6 O

6 H

6 NADH

Hidrogen

Rantai transpor

elektron

DAUR KREBS

4 CO

2 CO

4 NADH

38 ATP

2 ATP

34 ATP

Gambar 2.9

Hubungan antara glikolisis, siklus Krebs, dan rantai transpor elektron dalam

menghasilkan ATP.

Dari bagan reaksi pada Gambar 2.8 dapat disimpulkan bahwa dari 1

molekul NADH

yang masuk pada transfer elektron dihasilkan 3 molekul ATP

dan dari 1 molekul FADH

dihasilkan 2 molekul ATP. Selama oksidasi 1 molekul

glukosa terjadi 10 NADH

(2 dari glikolisis, 2 dari dekarboksilasi oksidatif dan

6 dari siklus Krebs) dan 2 FADH

(dari siklus Krebs). Jadi, secara keseluruhan

ATP yang dihasilkan dari rantai transpor elektron adalah 10 x 3 = 30 dan 2 x 2

= 4 sehingga jumlahnya adalah 34 ATP. Hasil bersih ATP selama respirasi aerob

adalah 34 + 2 ATP (glikolisis) + 2 ATP (siklus Krebs) = 38 ATP.

Coba kamu telusuri kembali penjumlahan ATP untuk reaksi-reaksi

tersebut, guna melatih kemampuan kamu dalam menghitung dan lebih

memahami dari mana saja ATP tersebut dihasilkan. Untuk memperjelas

hubungan antara reaksi-reaksi yang terjadi selama respirasi sel secara aerob

dan perolehan energi (ATP) yang dihasilkan, dapat dilihat pada Gambar 2.9.

4. Respirasi Anaerob

Tidak semua organisme melakukan respirasi secara aerob. Beberapa

mikroorganisme, misalnya bakteri mendapatkan energinya (ATP) dengan

Metabolisme

glukosa

ragi

asetadehid

asam piruvat

etil alkohol

asam piruvat

NAD

NADH

NAD

NADH

FERMENTASI ALKOHOL

FERMENTASI ASAM LAKTAT

asam laktat

NADH

beberapa bakteri

dan sel otot

melakukan respirasi anaerob. Hal ini karena beberapa bakteri akan mati jika

berada dalam kondisi ada oksigen. Organisme semacam ini disebut

anaerob

obligat.

Sebagai contoh, misalnya bakteri

Clostridium botulinum

dan

C. tetani

Organisme lain, misalnya ragi atau cacing pita, dapat hidup baik dalam

kondisi ada oksigen atau tanpa oksigen. Organisme semacam ini disebut

anaerob fakultatif.

Beberapa macam sel, seperti sel otot yang kekurangan

oksigen juga dapat melakukan respirasi secara anaerob. Jika pada respirasi

aerob H yang dibebaskan dari glikolisis diikat oleh akseptor hidrogen berupa

oksigen untuk menghasilkan air, maka pada respirasi anaerob karena oksigen

tidak ada, harus ada akseptor hidrogen lain yang menggantikannya. Dalam

keadaan ini asam piruvat bertindak sebagai akseptor dan akan direduksi,

sedangkan NADH akan dioksidasi untuk selanjutnya dihasilkan

asam laktat.

Karena asam laktat dihasilkan sebagai hasil akhir dari respirasi anaerob ini,

jalur metabolisme ini sering disebut

fermentasi asam laktat

. Fermentasi asam

laktat sering terjadi pada otot yang kekurangan oksigen dan penimbunan

asam laktat sering menimbulkan rasa lelah atau pegal-pegal. Akan tetapi

keadaan ini lama-kelamaan akan berkurang, karena asam laktat perlahan-

lahan dibawa oleh darah ke hati. Laktat akan diubah kembali menjadi piruvat

oleh sel hati. Selain itu, fermentasi asam laktat juga dapat terjadi pada

beberapa sel bakteri. Fermentasi asam laktat oleh fungi dan bakteri tertentu

digunakan dalam industri susu untuk membuat keju dan yoghurt.

Gambar 2.10

Diagram yang menunjukkan kemungkinan terjadinya 2 macam fermentasi

dalam respirasi anaerob

Sumber:

The Study of Biology,

Baker

Biologi Kelas XII SMA dan MA

KEGIATAN 2.1

Tipe lain dari respirasi anaerob adalah

fermentasi alkohol

, yaitu

dihasilkannya alkohol sebagai hasil akhir. Hal ini dapat terjadi misalnya pada

sel ragi. Pada fermentasi tersebut, satu gugus karboksil dari asam piruvat

dilepaskan (dekarboksilasi) untuk membentuk senyawa antara berupa

asetaldehid. Selanjutnya 2 atom C dari asetaldehid mengambil elektron dari

NADH untuk menghasilkan etil alkohol atau etanol. Fermentasi alkohol dapat

terjadi dalam proses pembuatan minuman (bir, sider, anggur, dan lain lain)

dan pada proses pengembangan roti, yang dilakukan oleh ragi. Secara singkat

hubungan antara respirasi asam laktat dan respirasi alkohol dapat dilihat

pada Gambar 2.10.

Dari penjelasan di atas, coba sekarang kamu hitung, berapa jumlah

ATP yang dihasilkan jika respirasi terjadi tanpa adanya oksigen.

Diskusikan jawabanmu dengan guru dan teman-temanmu.

C. Proses Anabolisme Karbohidrat

Setelah kita membahas reaksi katabolisme, selanjutnya akan dibahas

reaksi penyusunan atau anabolisme. Reaksi anabolisme yang paling penting

yaitu anabolisme karbohidrat yang dikenal dengan

fotosintesis

. Selain itu, akan

dibahas pula tentang Kemonsintesis karena pengubahan CO

(karbon

anorganik) menjadi organik (karbohidrat) tidak harus selalu melalui proses

fotosintesis.

1. Fotosintesis

Seluruh makhluk hidup di bumi secara langsung atau tidak langsung

bergantung pada fotosintesis. Dalam peristiwa fotosintesis, karbon anorganik

(CO

) dan air akan diubah menjadi karbon organik (karbohidrat) yang

merupakan senyawa dasar bagi pembentukan senyawa-senyawa utama yang

berguna untuk menunjang kehidupan makhluk hidup. Di samping itu dalam

reaksi fotosintesis juga dihasilkan oksigen yang merupakan unsur vital

kehidupan. Reaksi fotosintesis dapat ditulis secara singkat sebagai berikut:

Cahaya matahari

+ H

⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

(CH

+ n O

Klorofil

karbohidrat

Metabolisme

– pada klorofil

cincin perfirin

OCH

HCH

pada klorofil

CHO pada klorofil

cincin porfirin

Fotosintesis terutama dapat

dilakukan oleh tumbuhan hijau di

samping oleh alga dan beberapa

bakteri. Pada tumbuhan tinggi, organ

utama yang melakukan fotosintesis

adalah daun. Dilihat dari reaksi pada

fotosintesis, daun selain membutuhkan

dan air, juga harus mengandung

klorofil dan pigmen lain sebagai

penangkap energi cahaya matahari

untuk diubah menjadi energi kimia

dalam bentuk senyawa organik.

Pigmen fotosintesis pada tum-

buhan tinggi digolongkan menjadi

dua golongan, yaitu

klorofil

dan

karo-

tenoid

(terdiri atas karoten dan

xantofil). Klorofil menyerap cahaya

matahari pada panjang gelombang

tertentu, bergantung pada jenis

klorofilnya. Struktur kimia dari

molekul klorofil dapat dilihat pada

Gambar 2.11.

Gambar 2.11

Struktur kimia molekul klorofil

Sumber:

Essentials of Biology,

Hopson

Biologi Kelas XII SMA dan MA

400

klorofil

karotenoid

panjang gelombang

absorban

500

600

700

Gambar 2.12

Spektrum absorpsi klorofil a, b, dan karotenoid

Klorofil sebagai salah satu komponen penting dalam fotosintesis, terdapat

pada sel daun dan tersimpan pada organel yang disebut

kloroplas

Kloroplas

terdiri atas beberapa bagian, yaitu

grana

yang tersusun atas tumpukan

membran

tilakoid

dan struktur seperti jeli yang ada di sekitar grana dan disebut

stroma

(perhatikan lagi bab tentang sel). Karena klorofil berada di kloroplas,

maka peristiwa fotosintesis adalah terjadi pada organ tersebut. Fotosintesis

terjadi pada kloroplas dalam dua tahap reaksi, yaitu

reaksi terang

dan

reaksi

gelap

Sebelum dijelaskan tentang reaksi terang dan reaksi gelap, terlebih dahulu

akan dibahas tentang beberapa hal penting yang berkaitan dengan kedua

reaksi tersebut.

a. Peran Pigmen dalam Fotosintesis

Pigmen fotosintesis pada tumbuhan tinggi digolongkan menjadi dua

golongan, yaitu klorofil dan karotenoid (terdiri atas karoten dan xantofil).

Klorofil merupakan pigmen utama yang diperlukan dalam fotosintesis.

Klorofil menyerap cahaya merah dan ungu biru sehingga terlihat hijau

karena warna tersebutlah yang dipantulkan. Spektrum cahaya yang diserap

klorofil dapat berbeda-beda bergantung pada jenis klorofilnya (perhatikan

Gambar 2.12).

Sumber:

Essentials of Biology,

Hopson

Metabolisme

Dari penjelasan di atas, dapat dikatakan bahwa pigmen berperan dalam

menangkap cahaya matahari. Selanjutnya cahaya matahari yang ditangkap

dalam bentuk foton akan digunakan oleh sistem yang ada dalam fotosintesis

untuk menjalankan reaksi. Apa yang sebenarnya terjadi, jika energi foton dari

matahari ditangkap oleh pigmen?

Pigmen adalah senyawa kimia yang dapat menyerap/mengabsorpsi

cahaya tampak. Cahaya yang terserap merupakan sesuatu yang mengandung

energi tinggi. Karena energinya yang tinggi, foton (yang terkandung dalam

cahaya) dapat menyebabkan terlemparnya elektron yang ada pada pigmen,

dan elektron yang terlempar disebut sebagai elektron yang berada pada

keadaan

tereksitasi

. Dalam keadaan tersebut, elektron berada dalam kondisi

yang

tidak stabil

dan menyimpan energi yang tinggi. Untuk menstabilkan

dirinya, elektron yang tereksitasi akan berusaha kembali ke keadaan semula

sambil melepaskan energinya.

Pada reaksi terang, pigmen yang tereksitasi akan kehilangan elektron,

sehingga menghasilkan molekul yang bermuatan positif, seperti terlihat pada

reaksi:

Klorofil

⎛⎛⎛⎛∅

klorofil

(bentuk teroksidasi) + e

Elektron yang dilepaskan dalam peristiwa tersebut kemudian akan

ditangkap oleh molekul lain yang disebut penangkap elektron atau

akseptor

elektron

. Dalam hal ini klorofil ada dalam bentuk teroksidasi dan akseptor

elektron menjadi senyawa yang tereduksi. Dalam hal ini klorofil dapat juga

disebut sebagai

donor elektron

b. Unit-Unit Fotosintetik dan Pusat Reaksi

Unit-unit fotosintetik terdapat dalam membran tilakoid pada grana dari

sebuah kloroplas. Unit fotosintetik terdiri atas sejumlah klorofil a, klorofil b,

dan karotenoid yang masing-masing mempunyai klorofil a khusus sebagai

pusat reaksi. Dalam membran tilakoid terdapat dua tipe unit fotosintetik,

yaitu

fotosistem I

dan

II (PSI dan PSII)

. PSI disebut juga P

700

dan PSII disebut

P680 (sesuai puncak absorpsi panjang gelombang yang diserapnya).

Fotosistem mengandung kumpulan pigmen tambahan yang akan

melakukan energi foton yang ditangkapnya menuju

molekul pigmen utama

dan molekul ini disebut

pusat reaksi

. Pada pusat reaksi, energi yang ditangkap

dari cahaya digunakan untuk menjalankan reaksi. Jadi, di sinilah energi

cahaya diubah menjadi energi kimia sehingga pusat reaksi dapat disebut

pusat

pengubah energi

dalam fotosintesis.

energi matahari

Biologi Kelas XII SMA dan MA

–

2e akseptor

elektron

sitokrom

ADP + P

ATP

NADP

2–

NADPH

–

PS II

kl a

P680

PS I

kl a

P700

1/2 O

+ 2H

c. Reaksi Terang (Fotofosforilasi)

Agar lebih memahami tentang reaksi terang, pelajarilah gambar bagan

di bawah ini.

Gambar 2.13

Skema aliran elektron melalui PSII dan PSI pada reaksi terang

Jika cahaya (foton) mengenai PSII maupun PSI, energinya yang tinggi

akan menyebabkan klorofil yang ada pada kedua fotosistem tersebut

melepaskan elektron, menjadi klorofil

. Pada PSII, foton juga sekaligus

menyebabkan pecahnya molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan

–

tertinggi

terendah

fotosistem

P700

cahaya

–

NADP

NADPH

–

ADP+Pi

AT P

ADP+Pi

AT P

–

rantai elekton carriers

energi potensial

–

Reaksi terang adalah reaksi yang terjadi pada membran tilakoid grana,

yang akan menghasilkan ATP dari ADP+fosfat (fosforilasi) dan NADPH

dari

NADP. Pembentukan ATP pada reaksi terang menggunakan energi matahari

(foton) sehingga peristiwanya disebut

fotofosforilasi

. Dalam reaksi terang juga

dibutuhkan hidrogen untuk mereduksi NADP menjadi NADPH

. Pada

tumbuhan, hidrogen diperoleh dari pemecahan molekul air menjadi hidrogen

dan oksigen. Hasil reaksi terang selanjutnya akan digunakan dalam reaksi

gelap. Perhatikan Gambar 2.13

Keterangan:

∅

aliran elektron nonsiklik

- - > aliran elektron siklik

reaksi kimia lain

x, y, z, akseptor ekstra

Sumber:

Biological Science,

Green

Sumber:

Biological Science,

Green

Metabolisme

melepaskan elektron. Elektron yang dilepaskan air akan menggantikan

elektron yang hilang pada klorofil (PSII), sedangkan elektron yang dilepaskan

klorofil pada PSII akan ditangkap oleh suatu akseptor elektron (X). Selanjutnya

elektron dilepaskan kembali oleh akseptor X dan melalui suatu rantai

pembawa elektron. Elektron tersebut akhirnya sampai di PSI. Elektron ini

menggantikan elektron yang dilepaskan klorofil pada PSI, sedangkan elektron

yang dilepaskan PSI akan ditangkap oleh akseptor hidrogen, yaitu Y.

Selanjutnya Y melepaskan elektron tersebut dan melalui serangkaian

pembawa elektron, elektronnya ditangkap oleh NADP untuk membentuk

NADPH

Elektron yang ditangkap oleh Y selain dapat ditangkap oleh NADP juga

dapat kembali ke PSI.

Selama pergerakan elektron dari akseptor X menuju PSI dan dari Y

menuju PSI, energi yang dilepaskannya digunakan untuk memfosforilasi ADP

menjadi ATP. Untuk setiap pasang elektron dapat dihasilkan 2 molekul ATP.

Jadi, secara keseluruhan reaksi yang terjadi pada reaksi terang dapat ditulis:

O + NADP + 2ADP + 2Pi ———

+ NADPH

+ 2ATP

d. Reaksi Gelap (Fiksasi CO

atau Siklus Calvin)

Reaksi gelap adalah lanjutan dari reaksi terang dan terjadi pada stroma.

Pada reaksi tersebut energi berupa ATP dan molekul pereduksi NADPH

yang dihasilkan reaksi terang, digunakan untuk mereduksi/memfiksasi CO

Pada reaksi gelap/siklus Calvin, CO

dan air dari lingkungan secara

enzimatis direaksikan dengan suatu molekul akseptor yang mengandung 5

atom C (Ribulosa,1,5-bifosfat/RuBP) untuk membentuk 2 molekul antara

beratom C

yaitu asam fosfogliserat (PGA). Molekul antara ini kemudian

direduksi untuk menghasilkan karbohidrat. Peristiwa tersebut juga dilengkapi

dengan pembentukan kembali (regenerasi) molekul C

yang selanjutnya akan

digunakan lagi untuk mengikat CO

yang masuk. Jadi, dalam siklus Calvin

terdapat 3 tahap reaksi, yaitu:

Karboksilasi

(pengambilan CO

) oleh akseptor RuBP membentuk 2 molekul

PGA yang mengandung 3 atom C.

Reduksi

molekul PGA menjadi asam fosfogliseraldehid (PGAL) yang

selanjutnya akan membentuk karbohidrat berupa glukosa, sukrosa, dan

amilum.

Regenerasi

(pembentukan kembali) akseptor CO

, yaitu RuBP, dari

molekul PGAL. Proses ini diperlukan karena CO

terus-menerus

dihasilkan dari reaksi terang sehingga harus selalu tersedia senyawa yang

dapat mengikatnya, yaitu RuBP.

Untuk lebih memperjelas hubungan antara ketiga tahap reaksi tersebut,

kamu dapat memerhatikan Gambar 2.14.

Biologi Kelas XII SMA dan MA

Ribulosa 1,5-

bifosfat

Triosa

fosfat

+ H

Karboksilasi

Reduksi

Sukrosa

ADP + Pi

ATP

NADPH

3-fosfogliseral

Regenerasi

Tiga tahap

pada siklus

Calvin

ADP

ATP

Gambar 2.14

Hubungan tiga tahapan reaksi yang terjadi pada siklus Calvin secara ringkas

Dari uraian di atas, secara singkat dapat dituliskan reaksi yang terjadi

pada siklus Calvin adalah sebagai berikut.

O + CO

(CH

O H)+ 2H

3 ATP

3 ADP + Pi

2 NADP

2 NADPH

Gambar 2.15

Reaksi singkat siklus Calvin

Dari uraian di atas, dapat dikatakan bahwa reaksi terang berhubungan

langsung dengan reaksi gelap untuk menghasilkan suatu produk, yaitu

karbohidrat yang merupakan senyawa utama penyusun senyawa-senyawa

vital untuk kehidupan organisme.

(CH

OH) + 2H

Sumber:

Biological Science,

Green

Sumber:

Biological Science,

Green

Metabolisme

2. Kemosintesis

Pengubahan CO

(karbon anorganik) menjadi karbon organik

(karbohidrat) tidak harus selalu melalui proses fotosintesis, energi diambil

dari energi cahaya (foton). Beberapa organisme, seperti bakteri, mampu

memfiksasi CO

menjadi karbohidrat dengan menggunakan sumber energi

lain, yaitu energi kimia. Organisme semacam ini disebut

organisme kemosintetik.

Pada organisme kemosintetik, energi diambil dari oksidasi materi

anorganik seperti hidrogen, hidrogen sulfida, sulfur (belerang), besi (Fe),

amonia dan nitrit. Beberapa contoh reaksi yang dilakukan oleh beberapa

macam bakteri untuk memperoleh energi yang selanjutnya digunakan untuk

memfiksasi CO

dapat dilihat di bawah ini.

Bakteri besi (misalnya

Leptothrix

)

oksigen

⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

+ energi

Bakteri sulfur tak berwarna (misalnya

Thiobacillus

)

Oksigen atau

⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

2–

+ energi

Nitral

Bakteri Nitrifikasi

oksigen

⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

–

+ energi (misalnya pada

Nitrosomonas

)

amonium nitrit

oksigen

–

⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

–

+ energi (misalnya

Nitrobacter

)

Bakteri kemosintetik berperan penting di alam karena dapat menjaga

kesuburan tanah melalui aktivitasnya dalam daur nitrogen. Kemosintesis

adalah reaksi pembentukan karbohidrat dari CO

dan air tanpa menggunakan

energi matahari sebagai sumber energi, tetapi menggunakan energi dari reaksi

kimia. Kemosintesis dapat dilakukan oleh bakteri kemosintetik.

D. Keterkaitan Proses Katabolisme dan Anabolisme

Seperti telah dibahas secara terperinci pada subbab di atas, metabolisme

meliputi dua proses utama yang keduanya merupakan proses yang saling

berkaitan. Pemecahan senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana untuk

menghasilkan energi disebut katabolisme. Karena dalam peristiwa ini

dihasilkan energi, maka reaksinya bersifat

eksergonik

. Sebaliknya proses

Biologi Kelas XII SMA dan MA

energi cahaya

+ H

O energi

tumbuh

perbaikan

mekanik

pembelahan sel

transport aktif

kerja

materi organik

reaksi anabolisme

reaksi katabolisme

misalnya, respirasi

sebagian dibebaskan

sebagai panas

anabolisme

diserap

difusi

lingkungan elektron seluler

materi organik

(karbohidrat,

protein, vitamin,

lemak)

tumbuhan hijau

materi organik

Gambar 2.16

Hubungan antara proses anabolisme dan katabolisme dalam metabolisme

penyusunan atau sintesis dari molekul sederhana menjadi molekul yang lebih

kompleks disebut

anabolisme

, dan dalam proses ini dibutuhkan energi

(

endergonik

). Anabolisme selain meliputi sintesis karbohidrat, juga sintesis

lemak, sintesis protein, dan senyawa organik lain yang dibutuhkan sel,

sedangkan katabolisme terutama adalah katabolisme glukosa dalam respirasi

sel. Secara sederhana hubungan antara proses yang dijelaskan di atas dapat

dilihat pada Gambar 2.16.

transpor aktif

materi anorganik

Sumber:

Biological Science,

Green

E. Keterkaitan Metabolisme Karbohidrat, Lemak,

dan Protein

Secara terperinci telah dibahas tentang metabolisme karbohidrat. Pada

kenyataannya sel tidak hanya membutuhkan atau menyediakan karbohidrat,

sebagai bahan bakar untuk respirasi seluler, tetapi juga senyawa organik lain

seperti lemak dan protein Bagaimana metabolisme kedua senyawa tersebut

dan bagaimana hubungannya dengan metabolisme karbohidrat?

Pada metabolisme karbohidrat (glukosa), glikolisis dan daur Krebs

merupakan jalur utama dalam pemecahan glukosa menjadi energi. Seperti

halnya glukosa, lemak dan protein juga dapat digunakan sebagai bahan bakar

untuk menghasilkan energi dengan menggunakan jalur metabolisme yang

hampir sama.

Metabolisme

Melalui reaksi hidrolisis, protein dalam sel akan dipecah menjadi asam

amino-asam amino. Monomer ini kemudian dapat diubah menjadi piruvat,

Asetil Ko A atau zat-zat antara pada daur Krebs. Piruvat, Asetil Ko A dan zat-

zat yang dihasilkan selama daur Krebs dapat disebut zat antara yang nantinya

dapat digunakan untuk menyusun senyawa-senyawa lain yang dibutuhkan

sel. Hal ini dapat terjadi karena reaksi pemecahan dan penyusunan bersifat

reversible

(dapat berkebalikan). Sebagai contoh Asetil Ko A hasil pemecahan

asam amino dapat digunakan sebagai bahan dasar penyusun steroid, yaitu

senyawa yang dibutuhkan sel dalam membentuk hormon. Jumlah energi yang

dapat dihasilkan dari 1 gram protein sama dengan energi yang dihasilkan

dari 1 gram karbohidrat, yaitu 4 kalori. Dengan demikian, jumlah ATP yang

dihasilkannya akan sama pula. (Mengapa demikian? Dengan cara peng-

hitungan yang telah dijelaskan dalam metabolisme karbohidrat, hitung jumlah

ATP yang dapat dihasilkan dari 1 molekul protein. Diskusikan dengan guru

dan teman-temanmu).

Lemak juga mengalami hal serupa, tetapi sedikit lebih kompleks.

Pemecahan lemak dimulai dengan hidrolisis dari trigliserid menjadi gliserol

dan asam lemak. Selanjutnya gliserol akan dimodifikasi menjadi gliseraldehid-

3-fosfat (PGAL) dan masuk ke tahap ke-4 dari glikolisis menjadi asam piruvat,

Asetil Ko A dan masuk daur Krebs. Asam lemak akan dipecah membentuk

Asetil Ko A dan masuk ke daur Krebs yang dengan penambahan NADH

dan FADH

dioksidasi dalam rantai transpor elektron. Dari sini dapat

dikatakan bahwa dari 1 senyawa

lemak dapat dihasilkan 2 molekul

Asetil Ko A karena 1 molekul lemak

dapat dipecah menjadi 1 molekul

gliserol dan 1 molekul asam lemak.

Tiap-tiap molekul tersebut dapat

menghasilkan 1 molekul asetil Ko A.

Dengan cara yang serupa dengan

penghitungan ATP pada metabolis-

me glukosa, kita dapat menghitung

jumlah ATP yang dihasilkan untuk

setiap 1 molekul lemak (B.3). 1 gram

lemak dapat menghasilkan 9 kalori

atau hampir 2.5 kali lebih banyak di-

banding dengan gula atau protein.

Untuk lebih memperjelas keterangan-

keterangan di atas, perhatikan

Gambar. 2.17.

Protein

Karbohidrat

Lemak

Gula

Gliserol

Asam

lemak

Asam

amino

Glikolisis

Glukosa

Piruvat

Asetil CoA

Rantai Transpor

Elektron

Dan Fosforilasi

Oksidatif

Gliseraldehida – P

Siklus

Krebs

Gambar 2.17

Hubungan antara

penggunaan karbohidrat, protein, dan

lemak sebagai bahan bakar dalam

respirasi sel.

Sumber:

Biology,

Barrett

Biologi Kelas XII SMA dan MA

F. Teknologi yang Terkait dengan Metabolisme

Pengetahuan manusia tentang metabolisme, menjadi dasar ditemukannya

teknologi yang bertujuan memecahkan permasalahan yang dihadapi manusia

sehingga dapat meningkatkan taraf hidupnya. Manusia sering kali mengalami

suatu kondisi yang tidak sesuai dengan keadaan normal, misalnya karena

penyakit. Penyakit-penyakit tertentu dapat disebabkan oleh kondisi makanan

yang dikonsumsinya. Di samping itu, keadaan lingkungan yang tidak

menguntungkan, dapat mengancam ketersediaan bahan makanan untuk

kelangsungan hidup manusia. Beberapa usaha manusia dalam mengatasi

kedua permasalahan di atas akan dibahas lebih lanjut.

1. Makanan Berkadar Gula Rendah

Dalam keadaan normal, konsumsi gula (sukrosa) dalam jumlah tertentu

tidak akan menjadi suatu permasalahan bagi tubuh. Namun, dalam kondisi

sakit, misalnya karena kelainan metabolisme pada penyakit diabetes melli-

tus, dan kegemukan (obesitas), konsumsi gula dalam jumlah normal dapat

menimbulkan permasalahan serius bagi penderita penyakit di atas karena

dapat meningkatkan kadar gula dalam darah dan meningkatkan berat badan

bagi penderita kegemukan.

Seperti diketahui, dalam memilih makanan kita tidak hanya mem-

perhitungkan nilai gizi yang terkandung, tetapi juga mempertimbangkan rasa.

Hampir semua manusia menyukai rasa manis. Bagaimana dengan penderita

kedua penyakit tadi yang juga masih membutuhkan rasa manis pada

makanannya, tetapi tidak boleh mengonsumsi gula dalam jumlah tertentu?

Untuk mengatasi hal tersebut, dibutuhkan bahan pengganti gula dengan rasa

yang tetap manis, tetapi dengan kalori rendah.

Aspartam

adalah salah satu bahan pengganti gula yang ditemukan oleh

G.D. Searle pada tahun 1965. Bahan ini 200 kali lebih manis dibanding dengan

gula, sehingga untuk menimbulkan rasa manis, tidak dibutuhkan bahan

dalam jumlah banyak. Searle mematenkan Aspartam dengan nama dagang

Nutrasweet

. Tahun 1981, Badan Pengawas Makanan dan Obat Amerika (FDA),

merekomendasikan digunakannya pemanis ini dalam “soft drink diet” ,

yoghurt

berkadar lemak rendah dan pada puding beras. Aspartam terdiri

atas dua molekul asam amino esensial, yaitu phenilalanin dan asam aspartat.

Sakarin

merupakan pemanis buatan yang telah lama kita kenal. Bahan ini

20 kali lebih murah dibandingkan Aspartam. Sakarin hampir tidak

mengandung kalori sehingga penggunaannya tidak akan menimbulkan

permasalahan kelebihan kalori.

HFCS (High Fructose Corn Syrup)

, bukan merupakan pemanis buatan,

tetapi karena fruktosa lebih manis dibanding dengan glukosa dalam kadar

yang sama, maka penggunaan pemanis ini juga dapat mengurangi jumlah

Metabolisme

kalori. Fruktosa (HFCS) seperti namanya berasal dari jagung dan dibuat

dengan proses pengubahan glukosa menggunakan enzim

glucosa isomerase

yang dimobilisasi.

Gula alkohol

adalah gula hasil turunan alkohol yang secara alami banyak

ditemukan pada buah-buahan dan sayuran. Di antara gula alkohol yang kita

kenal adalah sorbitol yang sering digunakan untuk menimbulkan rasa manis

pada permen, permen karet, atau roti.

Mencari Informasi tentang Dampak dari Penggunaan Pemanis

Buatan

Di antara kalian mungkin pernah mendengar berita bahwa

penggunaan pemanis buatan dapat menimbulkan dampak negatif bagi

pemakainya. Misalnya, penggunaan Aspartam akhir-akhir ini disinyalir

dapat menimbulkan dampak negatif bagi penderita penyakit

phenilketonuria (PKU). Coba kumpulkan informasi tentang

penggunaan pemanis buatan dan dampak negatif dan positif yang

dapat ditimbulkannya dan buatlah semacam kliping atau makalah dari

apa yang telah kamu temukan. Bersama guru dan temanmu diskusikan

informasi-informasi yang terkumpul tersebut, guna memperoleh

informasi yang lebih luas dan menyeluruh.

2. Teknologi Pengawetan Makanan

Untuk menjaga kelangsungan hidupnya, manusia harus senantiasa

menjaga ketersediaan bahan makanannya. Namun seperti diketahui, bahan

makanan manusia juga merupakan media yang baik bagi pertumbuhan

mikroorganisme yang ada di lingkungan. Dengan demikian, manusia harus

berusaha mencegah agar bahan makanan tersebut tidak dijadikan sebagai

media bagi pertumbuhan mikroba, dengan cara mengawetkannya.

Mengawetkan dalam hal ini dapat berarti mencegah masuknya mikroba atau

membunuh dan mencegah pertumbuhan mikroba yang telanjur masuk ke

dalam bahan makanan tersebut. Dengan pengawetan yang baik, bahan

makanan menjadi lebih berkualitas karena dapat selalu digunakan dalam

keadaan yang terbaik dan terbebas dari organisme pengganggu beserta

senyawa-senyawa merugikan yang dihasilkannya.

Bermacam-macam metode pengawetan makanan telah dilakukan oleh

manusia dari yang paling sederhana, seperti pengeringan, pemanisan,

pengasinan sampai yang lebih canggih, seperti iradiasi, pengozonan, dan

perlakuan dalam kondisi vakum (hampa udara).

KEGIATAN 2.1

Biologi Kelas XII SMA dan MA

KEGIATAN 2.2

Pengeringan

Proses ini sebenarnya bertujuan menghilangkan air dari bahan yang

diawetkan. Dengan menurunnya kadar air, mikroba tidak dapat tumbuh

dengan baik karena untuk pertumbuhannya air merupakan komponen

terpenting.

Pemanisan dan pengasinan

Tujuan kedua proses tersebut adalah untuk menaikkan tekanan osmotik

larutan dalam lingkungan mikroba dengan penambahan gula atau garam

dalam konsentrasi tinggi. Dengan demikian, air akan ditarik dari sel

mikroba dan sel akan mengalami dehidrasi, metabolisme terhenti

sehingga memperlambat atau menghambat pertumbuhan mikroba.

Suhu tinggi/rendah

Perlakuan suhu yang ekstrem, seperti panas, dingin atau beku, dapat

menghambat atau membunuh mikroba. Dengan suhu ekstrem, enzim-

enzim dalam mikroba akan rusak atau berhenti bekerja sehingga proses

metabolisme terhenti yang pada akhirnya menyebabkan kematian atau

terhambatnya pertumbuhan mikroba.

Iradiasi

Iradiasi merupakan metode pengawetan makanan yang relatif baru.

Iradiasi bahan makanan biasanya menggunakan iradiasi elektromagnetik,

yaitu iradiasi yang menghasilkan foton berenergi tinggi yang dapat

menyebabkan terjadinya ionisasi dan eksitasi pada materi yang

dilaluinya. Iradiasi semacam ini dikenal dengan iradiasi pengion. Iradiasi

pengion yang paling sering digunakan adalah sinar

(gamma) yang

dipancarkan dari kobalt radioaktif (Cobalt-60) dan sesium radioaktif

(Caesium-37). Keefektifan radiasi berintensitas tinggi ini dalam

mensterilkan suatu produk tidak diragukan lagi. Namun, pengaruh

iradiasi terhadap rasa, bau, aroma, warna, tekstur dan mutu gizi masih

perlu dikaji dengan lebih baik. Demikian pula dengan perubahan-

perubahan kimiawi yang mungkin dihasilkan dari bahan pangan yang

diiradiasi, masih perlu dievaluasi pengaruhnya terhadap manusia dan

hewan.

Meneliti Metode Pengawetan Makanan

Kualitas makanan, di antaranya ditentukan oleh proses pengawetan

atau penyimpanannya. Dari metode-metode pengawetan makanan

yang telah dijelaskan di atas, kembangkanlah suatu

penelitian sederhana

yang bertujuan

melihat metode pengawetan paling cocok bagi suatu bahan

Metabolisme

makanan

, diukur dari keawetan, terjadi tidaknya perubahan rasa, bau

dan warnanya. Pilih beberapa macam bahan makanan dan cara

pengawetan yang paling sesuai dengan kondisi di sekolahmu

(ketersediaan alat, bahan, dan waktu).

Sebagai contoh kamu dapat memilih bahan makanan: roti, buah, atau

ikan. Proses pengawetan, misalnya pemanisan, pengasinan,

pendinginan, atau pengeringan. Lakukan penelitian tersebut dengan

tahapan-tahapan metode ilmiah yang telah diajarkan. Jangan lupa

tentukan mana variabel bebas dan variabel terikatnya. Catat hasil

penelitianmu, lalu presentasikan dan diskusikan di depan kelas.

3. Makanan Suplemen

Dalam kondisi normal, kebutuhan gizi manusia sebenarnya telah dapat

tercukupi dari makanan seimbang yang dikonsumsinya. Namun, dalam

keadaan tertentu misalnya sakit, untuk beraktivitas terlalu tinggi atau baru

sembuh dari sakit, sering kali diperlukan suplemen makanan yang dapat

manambah atau mengganti zat-zat gizi yang kurang terpenuhi karena kondisi-

kondisi tersebut. Sebagai contoh orang sakit yang tidak sadarkan diri atau

tidak mampu makan dengan normal, tubuhnya tetap harus disuplai dengan

zat-zat gizi. Dari mana zat gizi tersebut dapat diperoleh? Zat-zat gizi dalam

bentuk lain selain makanan yang kita makan sehari-hari, dan dapat mengganti

atau menambah kebutuhan gizi manusia kita kenal dengan makanan

suplemen. Makanan suplemen tersebut misalnya berupa sumber energi,

berupa cairan infus, protein, tablet vitamin, atau multivitamin dan mineral.

a. Cairan Infus

Cairan infus sebagai makanan suplemen (makanan pengganti) biasanya

mengandung larutan gula berupa glukosa. Seperti kita ketahui glukosa adalah

bahan yang paling mudah diserap usus dan diubah menjadi energi siap pakai.

Dengan demikian, kebutuhan energi bagi penderita tidak harus disuplai

melalui makanan, tetapi dapat digantikan dengan cairan ini.

b. Protein Sel Tunggal (PST)

Protein sel tunggal dihasilkan dari material mikroba termasuk fungi

(terutama ragi) dan alga berupa

Chlorella

dan

Spirullina

. PST mempunyai nilai

nutrisi yang tinggi karena bahan terbanyak yang dikandung mikroba-mikroba

tersebut adalah protein. Protein mikroba tersebut dapat digunakan secara

langsung sebagai bagian dari bahan makanan manusia, meskipun saat ini

masih lebih sering digunakan sebagai makanan hewan. Ada beberapa alasan

mengapa PST dapat digunakan sebagai bahan pangan alternatif. Mikroba

Biologi Kelas XII SMA dan MA

I N F O B I O L O G I

dapat tumbuh jauh lebih cepat dibandingkan dengan hewan dan tumbuhan,

dapat menggunakan substrat yang bervariasi termasuk bahan limbah se-

hingga sekaligus dapat menekan polusi, dan mikroba dapat tumbuh pada

tempat yang relatif sempit. Karena hal-hal tersebut, PST sering dikatakan

sebagai sumber protein masa depan.

c. Vitamin

Vitamin juga dapat dikatakan sebagai makanan suplemen karena pada

kondisi tertentu, seperti sakit atau baru sembuh dari sakit, diperlukan tambahan

vitamin selain dari makanan untuk mempercepat penyembuhan. Vitamin dapat

berfungsi sebagai koenzim dalam proses-proses metabolik penting (misalnya

B kompleks) dan fungsi-fungsi lain seperti antioksidan (misalnya vitamin A,C,

dan E).

d. Mineral

Beberapa mineral dapat ditambahkan pada makanan suplemen yang

disebut multivitamin, yang di dalamnya selain mengandung vitamin juga

terdapat beberapa mineral. Mineral penting yang sangat dibutuhkan tubuh,

di antaranya P (fosfor), Ca (kalsium), dan Fe (besi). Manusia memerlukan

kalsium dan fosfor dalam jumlah relatif besar untuk pembentukan dan

pemeliharaan tulang. Kalsium juga diperlukan untuk fungsi normal otot, dan

fosfor merupakan unsur pembentuk ATP dan asam nukleat. Besi adalah

mineral yang penting dalam pembentukan hemoglobin.

Untuk menambah wawasanmu tentang teknologi pengawetan makanan

dan makanan suplemen, kumpulkanlah tulisan-tulisan tentang hal tersebut

baik dari koran, majalah, atau internet. Presentasikan hasilnya dan diskusikan

serta analisis dampak positif dan negatifnya, selanjutnya buatlah saran-sa-

ran pemecahan masalah yang mungkin timbul.

Bahaya Terlalu Banyak Minum “Soft Drink”

Saat orang Amerika mulai sadar pada dampak buruk mengonsumsi

sukrosa, kita di sini malah bangga meniru pola makan mereka. Bahkan

lebih getol mengasup “soft drink”, permen, biskuit yang dilapisi sukrosa,

sampai gula dan sirup jagung yang kerap dipromosikan sebagai rendah

kalori (padahal tidak begitu).

Tugas

Metabolisme

Banyak orang masih belum mengerti bahwa gula (gula dari tebu atau

sukrosa) mengandung glukosa dan fruktosa dengan perbandingan yang

sama besar. Dalam kondisi “normal” tidak berlebihan), glukosa dibakar

melalui jalur “biasa” menjadi tenaga, sedangkan sisa pembakaran glukosa

diubah menjadi asam lemak. Pembakaran fruktosa pun harus melalui jalur

pembakaran glukosa ini. Setelah sukrosa dicerna di usus, glukosa dan

fruktosa masuk ke pembuluh darah dan hati.

Bagaimana jika sukrosa yang dikonsumsi terlalu banyak sehingga

timbul gelombang atau “banjir” glukosa dan fruktosa? Dampaknya,

fruktosa tidak dapat masuk jalur pembakaran glukosa sehingga terpaksa

menempuh jalur pintas, diubah menjadi gliserol-3-fosfat. Begitu juga

dengan glukosa, jika terlalu banyak akan diubah pula menjadi gliserol-3-

fosfat. Padahal gliserol-3-fosfat ini dapat mengikat tiga asam lemak dan

membentuk trigliserida. Trigliserida ada yang bebas beredar dalam darah,

ada pula yang disimpan dalam jaringan lemak. Peningkatan kadar

trigliserida dapat memicu penyakit jantung dan pembuluh darah

(kardiovaskuler).

Begitu berbahayanya trigliserida ini, kelebihan 800mg/dl saja sudah

dapat menyebabkan terjadinya pankretitis akut atau radang kelenjar

pankreas, untuk itu penting menjaga trigliserida tetap normal, di bawah

80 mg/dl.

Dahulu di Amerika Serikat, meningkatnya kasus kardiovaskuler,

obesitas, dan diabetes menimbulkan kekhawatiran, sekaligus menim-

bulkan gagasan untuk mengganti konsumsi lemak hewan dengan

karbohidrat sebagai sumber energi. American Diabetes Association

bahkan merekomendasikan energi dari lemak tidak boleh lebih dari 30%.

Karbohidrat pun menggantikan posisi lemak sebagai sumber energi

utama. Namun, sumber energi pengganti lemak pun tak sepenuhnya aman

karena belakangan terbukti, sukrosa terutama fruktosa, ternyata dapat

meningkatkan kadar trigliserida dan menurunkan kadar kolesterol baik

dalam darah sehingga meningkatkan jumlah pasien kardiovaskuler. Tak

heran kalau American Diabetes Association akhirnya menganjurkan

pembatasan pemakaian sukrosa dan menggantikannya dengan tepung.

Sumber

Intisari

, Maret 2005

Biologi Kelas XII SMA dan MA

Kata Kunci

akseptor elektron

active site

anabolisme

ATP

biokatalisator

energi aktivasi

enzim

glikolisis

katabolisme

kemosintesis

koenzim

kofaktor

metabolisme

reaksi gelap

Rangkuman

Metabolisme adalah seluruh proses atau reaksi biokimia dalam sel

untuk memperoleh dan menggunakan energi guna melaksanakan

aktivitas dan menjaga kelangsungan hidup sel tersebut. Meta-

bolisme terdiri atas anabolisme (penyusunan) dan katabolisme

(pemecahan).

Setiap peristiwa metabolisme membutuhkan komponen-

komponen penunjang utama. Komponen tersebut terdiri atas enzim

sebagai biokatalisator, kofaktor enzim berupa FAD, FMN, NADP,

ATP, dan reaksi oksidasi-reduksi (redoks).

Respirasi sel adalah peristiwa katabolisme ketika terjadi pe-

mecahan/oksidasi glukosa menjadi CO

dan air untuk

menghasilkan energi dalam bentuk ATP. Respirasi sel dapat terjadi

dengan adanya oksigen (aerob) dan tanpa oksigen (anaerob).

Respirasi secara aerob terdiri atas tiga reaksi, yaitu glikolisis,

dekarboksilasi oksidatif (siklus Krebs), dan rantai transpor elektron.

Fotosintesis merupakan peristiwa anabolisme (penyusunan)

karbohidrat, terutama dilakukan oleh tumbuhan hijau. Dalam

peristiwa ini, molekul CO

dan air diubah menjadi karbohidrat dan

oksigen dengan bantuan klorofil dan energi matahari. Fotosintesis

terdiri atas dua tahap reaksi, yaitu reaksi terang yang menghasilkan

ATP dan NADPH

dan reaksi gelap yang menghasilkan

karbohidrat. Kedua reaksi terjadi di kloroplas.

Kemosintesis adalah reaksi pembentukan karbohidrat dari CO

dan

air, tidak menggunakan energi matahari sebagai sumber energi,

tetapi menggunakan energi dari reaksi kimia. Kemosintesis dapat

dilakukan oleh bakteri kemosintetik.

reaksi redoks

reaksi terang

siklus krebs

siklus Calvin

Metabolisme

A. Pilih jawaban yang paling tepat.

Dalam metabolisme, reaksi selalu terjadi secara bertahap. Hal ini

bertujuan untuk . . . .

A. menghasilkan energi yang lebih banyak

memanfaatkan energi yang lebih efektif

C. menghasilkan senyawa-senyawa antara

D. menghasilkan ATP

mengubah bentuk energi

Enzim berfungsi sebagai katalis biologis karena dapat . . . .

A. mengurangi energi aktivasi dalam suatu reaksi biokimia

mempertahankan reaksi biokimia dalam sel

C. menyeimbangkan reaksi biokimia dalam sel

D. mengurangi penggunaan bahan bakar dalam sel

bekerja dalam reaksi pembentukan maupun penguraian

Energi hasil metabolisme selalu disimpan dalam bentuk . . . .

A. NADP

D. Karbohidrat

Produk

FAD

C. ATP

Oksidasi adalah peristiwa . . . .

A. pelepasan elektron

penerimaan elektron

C. pelepasan oksigen

D. penerimaan hidrogen

pelepasan oksigen dan penerimaan hidrogen

Jumlah ATP yang dihasilkan pada rantai transpor elektron dalam respirasi

adalah . . . .

A. 34 ATP

D. 36 ATP

32 ATP

10 ATP

C. 38 ATP

Dalam fotosintesis, energi cahaya dapat diubah menjadi energi kimia

terutama karena adanya . . . .

A. ATP

D. Klorofil

Akseptor elektron

Enzim

C. Donor elektron

Evaluasi Akhir Bab

Biologi Kelas XII SMA dan MA

Dalam rantai transpor elektron, yang bertindak sebagai pembawa

elektron adalah . . . .

A. flavoprotein, koenzim Q, dan sitokrom

NAD dan FAD

C. ATP

D. ADP dan fosfat inorganik

NADPH

Yang dimaksud dengan organisme anaerob fakultatif adalah . . . .

A. organisme yang tidak dapat melakukan respirasi tanpa oksigen

organisme yang dapat melakukan respirasi tanpa oksigen

C. organisme yang dapat melakukan respirasi dengan dan tanpa adanya

oksigen

D. organisme yang mati jika ada oksigen

organisme yang mati tanpa ada oksigen

Reaksi terang pada fotosintesis menghasilkan . . . .

A. Karbohidrat

D. Karbohidrat dan oksigen

dan air

ATP dan asam piruvat

C. ATP, NAFPH

dan oksigen

10. Bahan yang terkandung dalam larutan infus sebagai sumber energi adalah . . . .

A. sukrosa

D. glukosa

protein

garam

C. lemak

B. Jawablah pertanyaan berikut ini dengan benar.

Apa yang dimaksud dengan metabolisme? Jelaskan hubungannya

dengan energi, reaksi biokimia, dan enzim.

Metabolisme terdiri atas anabolisme dan katabolisme. Jelaskan masing-

masing istilah tersebut dan hubungkan dengan penggunaan energi serta

bagaimana hubungan antara keduanya.

Dalam proses respirasi sel, pemecahan materi organik berlangsung secara

bertahap. Jelaskan mengapa terjadi demikian, dan dalam bentuk apa

energi yang dihasilkan dari proses pemecahan tersebut disimpan.

Ada beberapa komponen penting yang berperan dalam fotosintesis.

Jelaskan komponen apa yang berperan dalam menangkap cahaya

matahari sebagai sumber energi.

Aspartam merupakan salah satu jenis pemanis buatan. Jelaskan terdiri

atas apakah Aspartam tersebut dan mengapa Aspartam tidak dianjurkan

bagi penderita PKU.