Metabolisme dan Fotosintesis

Metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang diawali oleh substrat awal dan diakhiri dengan produk akhir. Metabolisme terjadi pada setiap makhluk hidup tak terkecuali pada tumbuhan. Metabolisme pada tumbuhan lebih kita kenal sebagai fotosintesis. Untuk melakukan metabolisme dengan lebih cepat, makhluk hidup memerlukan suatu protein yang disebut enzim.  Oleh sebab itu, alangkah baiknya jika kita membahas sedikit mengenai enzim terlebih dahulu sebelum memasuki materi metabolisme.

Enzim

Enzim merupakan suatu protein yang bertindak sebagai katalis dalam makhluk hidup, oleh karena itu enzim disebut juga sebagai biokatalisator. Molekul awal (substrat) yang bereaksi dalam suatu reaksi nantinya akan dikatalis oleh enzim dan menghasilkan molekul baru (produk).

Enzim Berdasarkan Lokasi Bekerjanya 

Berdasarkan lokasi bekerjanya, enzim dibagi menjadi dua yaitu enzim intraseluler dan enzim ekstraseluler. Enzim intraseluler merupakan enzim yang bekerja di dalam sel, seperti enzim katalase yang memecah senyawa berbahaya H₂O₂ (hidrogen peroksida) di dalam hati. Enzim ekstraseluler merupakan enzim yang dbiuat di dalam sel lalu dikeluarkan untuk melakukan fungsinya seperti enzim-enzim pencernaan (amilase, lipase, dll.).

Komponen Enzim

Enzim tersusun dari komponen protein yang disebut apoenzim. Beberapa enzim juga memiliki komponen non-protein berupa zat organik yang disebut kofaktor untuk melakukan fungsinya. Enzim yang terikat dengan kofaktor disebut dengan holoenzim. Berikut adalah beberapa jenis kofaktor.

• Ion organik terikat dengan suatu enzim atau substrat kompleks sehingga mampu membuat fungsi enzim menjadi lebih efektif. Contohnya saja ion klorida dan kalsium pada enzim amilase.
• Gugus prostetik terdiri dari molekul-molekul organik yang terikat rapat dengan enzim. Contohnya adalah heme, yaitu molekul berbentuk cincin pipih yang mengandung besi. Heme adalah gugus prostetik pada beberapa enzim seperti katalase, peroksidase, dan sitokrom oksidase (dalam respirasi seluler).
• Koenzim adalah kofaktor yang terdiri dari molekul organik non-protein kompleks yang terikat renggang dengan enzim. Koenzim berperan untuk memindahkan gugus kimia, atom, atau elektron dari satu enzim ke enzim lain. Contohnya adalah vitamin dan turunan vitamin seperti NAD⁺  (nicotinamide Adenine Dinukleotide) yang berperan dalam respirasi seluler.

Cara Kerja Enzim

Enzim bekerja sebagai katalis di dalam tubuh kita. Enzim mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Energi aktivasi adalah energi yang dibutuhkan untuk melakukan suatu reaksi. Kerja enzim bisa dijelaskan melalui dua teori yaitu lock and key theory dan induced fit theory.

• Lock and key theory menjelaskan bahwa enzim dan substrat bergabung menjadi kompleks seperti kunci yang masuk ke dalam gembok. Hanya molekul tertentu saja yang bisa menjadi substrat bagi enzim. Di sini enzim digambarkan sebagai gembok dan substrat sebagai kuncinya.

• Induced fit theory menjelaskan bahwa sisi aktif enzim merupakan bentuk yang fleksibel sehingga  ia mampu menyesuaikan bentuk dengan berbagai substrat dan membentuk kompleks.

Sifat Enzim

Berikut ini adalah beberapa sifat dari enzim sebagai biokatalisator.

• Enzim memiliki sifat protein karena pada dasarnya enzim addalah protein. Enzim memerlukan kondisi lingkungan yang mendukung untuk bekerja (pH, temperatur, konsentrasi ion, dsb.).
• Enzim bekerja sebagai katalis yaitu mengubah kecepatan reaksi tanpa mengubah hasil produk.
• Enzim diperlukan dalam jumlah sedikit karena sedikit enzim mampu meningkatkan kecepatan reaksi menjadi cukup tinggi.
• Enzim dapat bekerja bolak-balik sehingga ia dapat membentuk dan mengurai senyawa.
• Enzim dipengaruhi faktor lingkungan seperti suhu, pH, aktivator, inhibitor, dan konsentrasi substrat.

Faktor yang Mempengaruhi Kerja Enzim

Berikut adalah beberapa faktor yang mempengaruhi kerja enzim.

• Suhu yang tinggi mempermudah substrat terikat dengan enzim. Walau begitu, enzim memiliki temperatur optimum untuk dapat bekerja yaitu 40^oC. Di atas suhu tersebut enzim akan mengalami denaturasi yaitu hilangnya kemampuan enzim untuk mengikat substrat.
• pH optimum yang dimiliki tiap enzim berbeda-beda bergantung fungsi dan lokasinya. Contohnya enzim pepsin dalam lambung bekerja optimum pada pH 2 (sangat asam) sedangkan enzim amilase dalam mulut pada pH 7,5 (sedikit basa) bekerja optimum.
• Aktivator dan Inhibitor bekerja berlawanan. Aktivator berfungsi mempermudah ikatan enzim dengan substrat, sebaliknya dengan inhibitor.
• Konsentrasi tinggi pada enzim akan mempercepat reaksi, sehingga bisa disimpulkan bahwa konsentrasi enzim berbanding lurus dengan kecepatan reaksi.

Metabolisme

Seperti yang sudah dijelaskan di awal tadi, metabolisme adalah rangkaian reaksi kimia dalam tubuh kita. Reaksi ini tidak bersifat bolak-balik, melainkan satu arah dan akan menyebabkan reaksi berantai.

Tujuan Metabolisme

Berdasarkan tujuannya, metabolisme dibagi menjadi dua yaitu katabolisme dan anabolisme.

• Katabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya adalah molekul besar lalu produk akhirnya adalah molekul kecil.
• Anabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya molekul kecil lalu produk akhirnya adalah molekul besar.

Baik katabolisme dan metabolisme tersebut pun masing-masing memiliki banyak contoh. Beberapa proses katabolisme dan metabolisme yang akan dibahas di sini antara lain adalah metabolisme karbohidrat, lemak, dan juga protein. Namun, kita akan lebih memfokuskan kepada yang paling penting yaitu metabolisme karbohidrat.

Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme karbohidrat meliputi proses pemecahan polisakarida menjadi monosakarida dan pemakaian glukosa (monosakarida) dalam proses respirasi untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP.

Pemecahan polisakarida menjadi disakarida seperti glukosa, galaktosa, dan fruktosa terjadi di sepanjang saluran pencernaan dengan melibatkan berbagai enzim pencernaan. Di dalam mulut, enzim ptialin yang terdapat dalam air ludah akan menghidrolisis pati menjadi maltosa yang merupakan disakarida glukosa. Di dalam usus dua belas jari, getah pankreas yang mengandung enzim amilase juga akan menghidrolisis pati seperti enzim ptialin. Kemudian, disakarida (laktosa, sukrosa, dan maltosa) dan polimer glukosa akan dipecah menjadi monosakarida oleh empat enzim yaitu laktase, sukrase, maltase, dan destrinase. Laktosa dipecah menjadi molekul glukosa dan galaktosa. Sukrosa dipecah menjadi molekul glukosa dan fruktosa. Maltosa akan dipecah menjadi molekul-molekul glukosa.

Pemakaiana glukosa (monosakarida) dalam respirasi merupakan cara sel untuk memperoleh energi dalam bentuk ATP. Respirasi dibagi menjadi dua yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob.

Respirasi Aerob

Respirasi aerob merupakan peristiwa pembakaran zat yang melibatkan oksigen dari pernapasan. Oksigen akan digunakan sebagai penerima elektron terakhir dalam pembentukan ATP. Respirasi pada tingkat organisme berupa pertukaran oksigen dengan karbon dioksida di dalam alveolus paru-paru. Sedangkan resprasi pada tingkat sel terjadi di dalam mitokondria. Berikut ini adalah reaksi singkat yang terjadi selama respirasi aerob.

675 kalori = 36 ATP

Respirasi aerob terbagi menjadi tiga tahap yaitu glikolisis, siklus krebs, dan sistem transpor elektron.

Glikolisis terjadi di dalam sitoplasma. Di tahap ini terdapat dua langkah reaksi yaitu langkah memerlukan energi dan melepaskan energi. Awalnya dibutuhkn 2 ATP untuk mentransfer gugus fosfat ke glukosa, sehingga glukosa memiliki simpanan energi yang lebih tinggi untuk reaksi pelepasan energi nantinya. Jadi, glikolisis adalah reaksi pelepasan energi yang memecah 1 molekul glukosa atau monosakarida yang llain menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP.

Siklus krebs merupakan tahap kedua respirasi aerob. Tahapnya adalah 2 molekul asam piruvat yang dibentuk pada glikolisis meninggalkan sitoplasma dan memasuki mitokondria. Siklus ini terjadi di dalam mitokondria. Reaksi ini akan melepaskan 2 molekul karbon dioksida, 3 NADH, 1 FADH2, dan1 ATP. 

Reaksi ini terjadi dua kali karena pada glikolisis, glukosa dipecah menjadi 2 asam piruvat. Jadi, reaksi siklus krebs pada tahap kedua akan menghasilkan 6 NADH, 2 FADH2, dan 2 ATP.

Sistem transpor elektron terjadi di bagian membran dalam mitokondria. NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari siklus krebs dan glikolisis memberikan elektron H+ ke sistem transpor elektron. H+ akan dipompa ke luar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam mitokondria menimbulkan gradien elektron antara bagian luar dan bagian dalam membran dalam mitokondria. Akibatnya, ion H+ kembali menuju bagian dalam membran dalam mitokondria melalui ATP sintase. ATP sintase merupakan protein yang menempel di membran dalam mitokondria. Aliran H+ melaluui protein transpor ini memacu pembentukan ATP dari ADP dan fosfat. Oksigen bebas menjaga pembentukan ATP terus berjalan, yaitu dengan menerima elektron yang dilepaskan pada akhir sistem transpor elektron. Oksigen akan bergabung dengan H+ menjadi H₂O. ATP yang dihasilkan sebanyak 32 ATP.

Respirasi Anaerob

Respirasi anaerob merpakan respirasi yang tidak menggunakan oksigen sebagai penerima elektron akhir pada saat pembentukan ATP. Substrat yang digunakan di sini adalah glukosa. Respirasi aerob siebut juga dengan reaksi fermentasi.

Fermentasi merupakan suatu reaksi yang menghasilkan 2 ATP, 2 NADH, dan 2 molekul asam piruvat dari pemecahan glukosa. Pada reaksi fermentasi, pemecahan glukosa menjadi karbon dioksida dan air tidak terjadi sempurna sehingga ATP yang dihasilkan lebih sedikit dibanding ATP hasil dari glikolisis. Pada umumnya fermentasi disebabkan oleh berbagai macam mikroorganisme atau bisa juga terjadi secara alami seperti yang terjadi pada otot manusia.

Anabolisme Karbohidrat

Anabolisme karbohidrat meliputi proses pembentukan glukosa dan glikogen dari fosfogliseraldehid (PGAL) yang dihasilkan pada tahapan glikolisis respirasi aerob. Glukosa kemudian akan diedarkan ke dalam aliran darah dan glikogen disimpan di dalam hati.

Hubungan Metabolisme Karbohidrat, Lemak, dan Protein

Berikut ini adalah hubungan antara beberapa jenis metabolisme yang disebutkan di atas.

Dibandingkan protein dan karbohidrat, mengkonsumsi makanan yang mengandung lemak lebih memberikan rasa kenyang. Hal ini disebabkan oleh kemampuan metabolisme lemak untuk menghasilkan energi lebih besar. Lemak adalah senyawa karbon yang paling tereduksi, sedangkan karbohdrat dan protein lebih teroksidasi. Senyawa karbon yang tereduksi lebih banyak menyimpan energi dan jika dibakar sempurna akan membebaskan energi lebih banyak. Hal ini berhubungan dengan pembebasan elektron yang lebih banyak. Berdasrkan perhitungan, ATP yang dihasilkan lemak akan berjumlah 44, lebih banyak 8 ATP dibanding yang dihasilkan melalui metabolisme protein dan karbohidrat.

Teknologi Pengolahan Makanan

Makanan merupakan sumber energi dan materi yang dibutuhkan dalam melakukan metabolisme tubuh. Perkembangan teknologi juga telah mempengaruhi proses pengolahan makanan.

Berikut ini adalah beberapa penggunaannya.

• Teknologi makanan berkadar gula rendah - Untuk mencegah obesitas
• Teknologi pengawetan makanan berkualitas tinggi - Untuk mencegah pembusukkan

Yang harus diperhatikan di dalam pengawetan makanan adalah jenis bahan makanan yang diawetkan, keadaan bahan makanan, cara pengawetan, dan daya tarik produk pengawetan makanan (citra, rasa, warna,  dan bau).

Bahan makanan yang diawetkan akan mempengaruhi cara pengawetannya. Pengawetan protein, karbohidrat, dan lemak tentu saja berbeda-beda. Pengawetan protein menggunakan cara pengeringan, dsb. Minyak diawetkan dengan teknik pembuatan yang bersih dan pemberian bahan pengawet. Karbohidrat diawetkan dengan pembuatan tepung, pengeringan, dan pemanasan. Zat-zat organik (buah dan susu) akan lebih cocok diawetkan dengan pengeringan dingin.

Keadaan bahan makanan mempengaruhi cara pengawetan juga. Pengawetan bahan cari akan lebih sulit dibandingkan bahan padat misalnya seperti sirup yang harus dilakukan pengentalan.

Bahan pengawet dan pewarna pada umumnya banyak yang memiliki sifat racun bahkan karsinogenik. Untuk bahan pengawet yang alami seperti garam dan sirup, sifat-sifat racun tidak ditemukan.

Daya tarik produk memiliki tujuan agar setelah diawetkan pun, makanan akan tetap terlihat menarik dan tentu saja mudah dikonsumsi.

Teknologi Substitusi Energi dari Produk Pengolahan Makanan

Terkadang makanan yang kita konsumsi tidak mampu memenuhi kebutuhan gizi di dalam tubuh kita. Oleh karena itu, kita perlu mengkombinasikan berbagai makanan sehingga dapat memperoleh semua zat gizi yang dibutuhkan. Melalui makanan tambahan, kita bisa memenuhi kebutuhan gizi. Beberapa makanan tambahan tersebut antara lain sebagai berikut.

• Garam beryodium untuk melengkapi unsur mineral mikro.
• Minyak ikan untuk melengkapi kebutuhan vitamin A dan D.
• Infus, yaitu makanan yang diberikan khusus melalui pembuluh vena yang berisi karbohidrat.

Fotosintesis

Selain manusia dan hewan, tumbuhan juga melakukan suatu proses metabolisme yang kita kenal dengan fotosintesis. Fotosintesis merupakan salah satu contoh dari katabolisme karbohidrat yaitu mengubah H₂O dan CO₂ menjadi karbohidrat. Fotosintesis merupakan peristiwa penggunaan energi cahaya untuk membentuk senyawa dasar karbohidrat dari karbon dioksida dan air.

Reaksi Fotosintesis

Di dalam fotosintesis, terdapat beberapa reaksi yang terjadi. Berikut ini adalah reaksi-reaksinya.

• Reaksi terang adalah reaksi yang terjadi pada bagian grana (kumpulan tilakoid) tumbuhan dan sering disebut juga sebagai reaksi Hill.
• Reaksi gelap adalah reaksi yang terjadi pada bagian stroma tumbuhan dan seing disebut juga sebagai reaksi Calvin-benson.

Reaksi Terang

Pada reaksi terang terjadi 3 proses utama yaitu:

1. Pigmen fotosintesis menyerap energi cahaya dan melepaskan elektron yang akan masuk ke sistem transpor elektron.
2. Molekul air pecah, ATP dan NADPH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide phospate H) terbentuk, dan oksigen dilepaskan.
3. Pigmen fotosintesis yang melepaskan elektron menerima kembali elektron sebagai gantinya.

Reaksi teranng terjadi pada dua jenis fotosistem. Fotosistem adalah unit/kompleks pengumpul cahaya dari membran tilakoid. Unit tersebut merupakan klorofil yang tersusun bersama protein dan molekul organik yang lebih kecil lainnya. Fotosistem tersebut terbagi menjadi dua jenis yaitu fotosistem I (P700 nm) dan fotosistem  II (P680 nm) bergantung pada panjang gelombang cahaya yang mampu diserap. Terdapat dua proses aliran elektron pada reaksi terang baik yang terjadi pada fotosistem I maupun II.

• Aliran elektron siklik merupakan proses perpindahan elektron yang terjadi pada fotosistem I dan menghasilkan ATP. Pada proses ini energi cahaya matahari (photon) akan menyebabkan elektron berpindah dari klorofil yang satu ke yang lain. Klorofil yang terdapat pada fotosistem ini adalah klorofil a. Elektron lalu akan berpindah menuju akseptor elektron dan berpindah kembali ke dalam fotosistem sehingga fotosistem tidak kehilangan elektron. Elektron yang terus menerus kembali inilah yang menyebabkan aliran elektron ini disebut aliran elektron siklik.
• Aliran elektron non-siklik merupakan proses perpindahan elektron yang terjadi pada fotosistem II dan I serta menghasilkan NADPH serta oksigen. Proses yang terjadi pada fotosistem II ini lebih kompleks dibandingkan dengan yang terjadi pada fotosistem I. Klorofil yang terlibat di sini adalah klorofil b. Berikut adalah prosesnya.

• Fotosistem II menyerap cahaya, Elektron dalam pusat reaksi (P680) tereksitasi, “lubang” elektron yang ditinggalkan perlu diisi.
• Suatu enzim mengekstraksi elektron dari air untuk mengisi “lubang” yang ditinggalkan. Reaksi ini disebut fotolisis air.
• Setiap elektron mengalir dari fotosistem II ke fotosistem I melalui rantai transpor elektron Plastokinon (Pq), kompleks sitokrom dan Plastosianin (Pc)
• Elektron menuruni rantai dengan menghasilkan ATP. Sintesis ATP ini disebut fotofosforilasi karena sintesis ini digerakkan oleh energi cahaya.
• Energi cahaya menggerakkan elektron dari P700 ke akseptor elektron primer fotosistem I sehingga  menimbulkan “lubang” yang diisi elektron dari fotosistem I.
• Akseptor elektron primer fotosistem I melewatkan elektron terfotoeksitasi ke rantai transpor elektron kedua, yang menyalurkannya ke feredoksin (Fd), kemudian menyalurkan elektron ke NADP⁺  reduktase sehingga terbentuk NADPH. Oksigen dilepaskan ke udara. 

Berikut ini adalah perbedaan antara aliran elektron siklik dan non-siklik.

Reaksi Gelap

Reaksi gelap tidak membutuhkan bantuan cahaya seperti pada reaksi terang. Reaksi gelap bergantung pada ATP dan NADPH yang dihasilkan pada reaksi terang. Jadi, reaksi terang dan gelap merupakan suatu proses yang saling terkait, di mana tanpa reaksi terang, reaksi gelap tidak bisa berlangsung, sehingga tidak terjadi fotosintesis.

Pada dasarnya, reaksi gelap memerlukan beberapa zat tertentu untuk melakukan kerjanya.

• ATP
• Hidrogen dari NADPH
• Elektron dari NADPH
• Karbon dan oksigen dari karbon dioksida
• Enzim
• RuBP (Ribulosa Bifosfat) / senyawa dengan 5 atom C

Berikut ini adalah proses yang terjadi selama reaksi gelap berlangsung.

1. RuBP mengikat C dari  CO₂ menjadi suatu senyawa yang terdiri dari 6 C labil. Senyawa ini memecah menjadi 12 PGA (Fosfogliserat).
2. PGA lalu akan berikatan dengan fosfat, hidrogen, serta elektron membentuk 12 PGAL (Fosfogliseraldehida).
3. 12 PGAL nantinya akan terpecah di mana 10 molekul akan kembali menjadi RuBP dan 2 lagi berkondensasi menjadi Glukosa 6 Fosfat.

       Glukosa 6 Fosfat merupakan bahan baku untuk membentuk sukrosa dan tepung pati. Sukrosa merupakan karbohidrat yang berfungsi untuk pengangkutan menuju tempat penimbunan. Tepung pati merupakan karbohidrat yang berfungsu sebagai cadangan makanan.

       Jadi secara garis besar, inilah yang terjadi di dalam fotosintesis.

       Ini adalah perbedaan antara reaksi terang dan reaksi gelap