Enzim dan Metabolisme Sel - Materi Biologi Kelas 12 SLTA/SMA/MA

Setiap makhluk hidup baik manusia, hewan, tumbuhan bahkan mikroorganisme tersusun atas sel-sel yang berukuran sangat kecil/mikroskopis. Setiap sel memiliki fungsi dan peran tertentu untuk kelangsungan hidup suatu organisme dengan melakukan suatu proses yang disebut dengan metabolisme. Metabolisme adalah suatu rangkaian reaksi kimia yang terjadi di dalam sel untuk mengubah suatu zat menjadi zat lain yang bermanfaat untuk sel itu sendiri. Pada Bab ini kita akan mempelajari mengenai metabolisme sel, jenis-jenis metabolisme, perangkat metabolisme salah satunya adalah enzim, dan proses metabolisme dalam tubuh makhluk hidup.

{tocify} $title={Daftar isi}

A. Metabolisme Sel

Metabolisme berasal bahasa Yunani μεταβολισμος / metabolismos berarti perubahan.
Secara definisi, metabolisme adalah seluruh reaksi biokimia dalam tubuh organisme yang bertujuan untuk mempertahankan kehidupan.
Metabolisme terjadi pada tingkat sel atau disebut juga metabolisme sel.
Metabolisme sel memiliki lintasan-lintasan metabolis tertentu, dimana satu senyawa dapat berubah melalui beberapa tahap reaksi menjadi senyawa lain.
Proses metabolisme difasilitasi oleh ezim, yaitu senyawa kimia yang berperan sebagai biokatalisator dengan mempercepat laju reaksi kimia.
Metabolisme dalam tubuh makhluk hidup dikategorikan menjadi 2 tipe, yaitu katabolisme dan anabolisme.

Katabolisme, yaitu reaksi untuk menghasilkan energi dengan cara mengurai senyawa organik, seperti pemecahan glukosa menjadi ATP saat proses respirasi seluler.
Anabolisme, yaitu reaksi yang memerlukan energi untuk menyusun (sintesis) senyawa organik dari senyawa sederhana, seperti pembentukan protein, karbohidrat, lipid, dan asam nukleat.

B. Enzim

Enzim adalah suatu molekul organik / biomolekul berupa protein yang berfungsi sebagai katalis dalam metabolisme sel. Katalis berarti senyawa yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi dalam suatu reaksi kimia organik.
Energi yang diperlukan oleh enzim di dalam reaksi kimia sangat kecil, sehingga berfungsi menurunkan energi aktivasi.
Molekul awal yang disebut substrat akan dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk oleh bantuan enzim.
Tanpa adanya enzim, metabolisme tidak akan berjalan dengan baik.

1. Struktur Enzim

Enzim memiliki situs tempat menempelnya substrat yang disebut sebagai sisi aktif enzim.
Bagian utama enzim tersusun oleh protein yang disebut Apoenzim.
Bagian enzim lain tersusun oleh materi anorganik berupa mineral logam disebut Gugus protestik.
Enzim membutuhkan molekul lain yang membantu kerja enzim untuk menguatkan ikatan dengan substrat disebut Kofaktor. Contoh kofaktor enzim adalah ion logam Fe2+, Cu2+, dan Mg2+.
Enzim juga mempunyai struktur molekul organik non-protein yang disebut Koenzim, yang berfungsi membawa atom fungsional untuk kerja enzim. Contohnya adalah Koenzim A dalam Siklus Krebs.

2. Sifat Enzim

Enzim bekerja dengan cara menurunkan energi aktivasi, sehingga energi awal untuk sebuah reaksi dapat diperkecil.
Enzim bukanlah penyebab suatu reaksi, namun hanya sebagai mempercepat proses reaksi saat reaksi sudah berjalan.
Enzim bekerja secara bolak-balik, artinya enzim dapat merubah substrat A menjadi produk B dan C, dan sebaliknya enzim juga dapat membentuk kembali substrat A dari molekul B dan C.
Enzim dapat digunakan secara berulang-ulang karena ikatan antara enzim-substrat adalah ikatan lemah. Setelah terbentuknya produk, enzim akan lepas namun tidak mengalami perubahan bentuk sehingga dapat digunakan untuk reaksi berikutnya pada substrat lain.
Enzim hanya dapat bekerja untuk 1 jenis substrat. Maka dari itu, enzim dikatakan berkerja secara spesifik.

3. Cara Kerja Enzim

Enzim bekerja dengan sangat spesifik karena sisi aktif enzim bersifat sangat selektif terhadap bentuk kimia substrat yang akan dikatalisis.
Teori terkenal tentang cara kerja enzim adalah model Gembok dan Kunci atau Lock and Key dan model Kecocokan Induksi atau Induced Fit.
Model Gembok dan Kunci menjelaskan bahwa sisi aktif enzim diibaratkan sebagai kunci yang dapat masuk ke dalam lubang gembok yaitu substrat. Keduanya saling menempel karena memiliki kecocokan bentuk. Setelah terbentuknya komplek enzim-substrat selanjutnya akan dihasilkan produk.
Model kecocokan induksi menjelaskan bahwa bentuk sisi aktif enzim bersifat fleksibel dan dapat menyesuaikan terhadap bentuk molekul substrat. Sifat fleksibel memudahkan enzim untuk mendapatkan kecocokan dengan substrat. Setelah terbentuk komplek enzim-substrat selanjutnya dapat dihasilkan produk.

(a) Model Gembok dan Kunci (b) Model Kecocokan Induksi

4. Jenis Enzim

Berdasarkan lokasi kerjanya enzim dibagi menjadi 2 jenis, yaitu eksoenzim dan endoenzim

Eksoenzim adalah enzim yang dibentuk di dalam sel kemudian diekskresikan keluar sel untuk menjalankan reaksi metabolisme diluar sel. Contohnya adalah Amilase dan Maltase.
Endoenzim adalah enzim yang dibentuk di dalam sel dan berfungsi menjalankan reaksi metabolisme di dalam sel. Contohnya adalah Katalase, Oksidase dan Heksokinase.

5. Faktor yang Mempengaruhi Kerja enzim

1. Temperatur

Enzim merupakan molekul protein yang sensitif terhadap perubahan temperatur.
Enzim dapat bekerja optimal apabila berada pada temperatur spesifik.
Temperatur yang tinggi akan menyebabkan enzim menjadi rusak atau istilahnya denaturasi.
Temperatur yang terlalu rendah akan menyebabkan enzim inaktif/tidak bekerja (tidak rusak), dan dapat aktif kembali aktif apabila mencapai temperatur normal.

2. pH (Power of Hydrogen) atau Asam-Basa

Enzim akan bekerja secara optimal apabila berada pada kondisi pH optimal.
Enzim akan rusak/inaktif apabila berada pada kondisi pH terlalu tinggi (Basa) atau terlalu rendah (Asam).
pH lingkungan yang terlalu tinggi atau terlalu rendah dapat merusak enzim dengan cara memutuskan ikatan hidrogen enzim.
Namun ada beberapa jenis enzim yang mempunyai pH optimal pada keadaan pH asam atau basa. Contohnya enzim Pepsin dan Tripsin yang diproduksi oleh kelenjar pankreas yang diekskresikan ke lambung dan usus halus untuk mencerna makanan. Pepsin bekerja dalam lambung memiliki pH optimal antara 2-4 (asam), dan enzim Tripsin yang bekerja pada usus halus mempunyai pH optimal antara 8-9 (basa).

3. Konsentrasi Substrat dan Enzim

Konsentrasi Substrat dan Enzim membatasi reaksi keduanya.
Enzim akan berada dalam kondisi jenuh dan tidak dapat bekerja lagi apabila konsentrasi substrat terlalu tinggi. Apabila substrat ditambahkan lagi, maka tidak akan meningkatkan kecepatan laju reaksi. Caranya adalah dengan menambah konsentrasi enzim untuk menyeimbangi jumlah substrat.

4. Kofaktor

Adanya kofaktor dalam reaksi akan meningkatkan ikatan enzim-substrat dan membantu proses transfer elektron.

5. Konsentrasi Air

Enzim bekerja membutuhkan air untuk menghidrolisis makromolekul.
Air juga berperan sebagai kofaktor enzim untuk mengaktifkan kerja enzim.
Apabila tidak ada air maka enzim tidak akan bekerja dengan baik. Contohnya manusia akan kehilangan nyawa apabila tidak minum air selama 3 hari, dan masih tetap hidup selama 1 bulan lebih walaupun hanya minum air.

6. Inhibitor (Penghambat)

Inhibitor mengganggu kerja enzim dengan cara memanipulasi enzim itu sendiri agar tidak dapat berikatan dengan substrat.
Ada 2 jenis inhibitor enzim, yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor non-kompetitif.

Inhibitor kompetitif adalah inhibitor yang bentuknya menyerupai substrat yang memiliki kecocokan terhadap sisi aktif enzim. Saat inhibitor kompetitif menempel pada sisi aktif enzim maka substrat tidak dapat menempel, sehingga tidak akan terbentuknya produk.
Inhibitor non-kompetitif adalah inhibitor yang menempel diluar sisi aktif enzim yang menyebabkan terlepasnya ikatan antara substrat dengan sisi aktif enzim.

(a) Kompleks Enzim-Substrat Normal (b) Inhibitor Kompetitif (c) Inhibitor Non-Kompetitif

C. Metabolisme Karbohidrat

Makhluk hidup dalam menjalankan aktifitas sehari-hari membutuhkan energi. Energi diperoleh dari bahan makanan yang dikonsumsi. Bahan makanan yang mengandung nutrisi utama seperti karbohidrat, protein dan lemak dicerna oleh tubuh dan dimetabolisme untuk menghasilkan energi siap pakai.

Sumber energi utama yang paling banyak digunakan makhluk hidup adalah berasal dari karbohidrat. Karbohidrat adalah senyawa gula kompleks yang banyak ditemukan pada tumbuh-tumbuhan. Tumbuhan memperoleh karbohidrat dari proses fotosintesis dengan bantuan cahaya. Selain dimanfaatkan sendiri, karbohidrat juga disimpan dalam bentuk cadangan makanan didalam organ daun, batang dan akar yang dapat dimanfaatkan oleh organisme lain.

Bahan dasar dari fotosintesis adalah berupa gas karbondioksida yang ada diudara dan air dari dalam tanah. Dengan bantuan sinar matahari tumbuhan menjalankan rangkain proses metabolisme untuk membentuk karbohidrat. Metabolisme yang terjadi selama proses fotosintesis disebut anabolisme karbohidrat. Sedangkan hidup yang mengkonsumsi karbohidrat dari tanaman dan kemudian dipecah menjadi energi berupa ATP, gas karbondioksida dan uap air disebut katabolisme karbohidrat.

D. Katabolisme Karbohidrat

Katabolisme karbohidrat merupakan proses perombakan senyawa karbohidrat menjadi senyawa sederhana untuk menghasilkan energi.
Proses katabolisme karbohidrat terjadi di tingkat seluler yang disebut juga respirasi seluler.
Respirasi seluler dibagi menjadi 2 tipe berdasarkan kebutuhan gas oksigen, yaitu respirasi aerob (perlu oksigen) dan respirasi anaerob (tidak perlu oksigen).

1. Respirasi Aerob

Respirasi aerob adalah proses perombakan karbohidrat berupa gula sederhana yang membutuhkan oksigen.
Respirasi aerob pada tingkat sel terjadi di sitoplasma sel dan organel mitokondria.
Bahan dasar berupa molekul gula dipecah dengan bantuan air dan Oksigen untuk menghasilkan molekul energi yang disebut Adenenosine Tri-Phosphate (ATP).
Secara sederhana respirasi aerob digambarkan dengan skema berikut ini:

Skema reaksi kimia respirasi aerob

Tahapan respirasi aerob dibagi menjadi 4 tahap yang meliputi reaksi Glikolisis - Dekarboksilasi Oksidatif - Daur asala sitrat / Siklus Krebs - Transport Elektron.

Respirasi aerob tingkat seluler

1. Glikolisis

Glikolisis berasal dari kata Glico berarti gula dan lysis berarti pemecahan.
Glikolisis secara definisi berarti pemecahan molekul gula/glukosa (yang memiliki 6 atom karbon), menjadi 2 molekul gula sederhana yang disebut piruvat (memiliki 3 atom karbon).
Glikolisis terjadi di dalam sitoplasma sel.
Proses glikolisis terjadi dalam 9 tahapan.
Tahapan proses glikolisis akan mengubah 1 molekul glukosa menjadi 2 molekul asam piruvat. Skema tahapan glikolisis dapat dilihat pada bagan dibawah ini:

Skema tahapan glikolisis

Tahapan dalam glikolisis dapat dijelaskan sebagai berikut:

Awalnya 1 molekul Glukosa diubah menjadi glukosa-6-fosfat dibantu oleh ATP. Caranya ATP harus dipecah menjadi ADP karena dibutuhkan sumber energi.
Glukosa, 6-fosfat diubah menjadi fruktosa-6-fosfat.
Fruktosa-6-fosfat diubah menjadi fruktosa-1,6-bifosfat yang membutuhkan energi dari pemecahan ATP menjadi ADP.
Fruktosa-1,6-bifosfat (6 atom C) dipecah menjadi 1 molekul gliseraldehid-3-fosfat atau PGAL (3 atom C) dan 1 molekul dihidroksiaseton fosfat atau DHAP (3 atom C). Molekul DHAP diubah menjadi senyawa PGAL, sehingga terbentuk 2 molekul PGAL.
Molekul PGAL diubah menjadi senyawa 1,3-bifosfogliserat dengan cara mengikat Pi (fosfat organik). Setiap 1 molekul PGAL menghasilkan 1 NADH.
1,3-bifosfogliserat diubah menjadi 3-fosfogliserat. Pada reaksi ini, dihasilkan ATP sebagai sumber energi.
3-fosfogliserat diubah menjadi 2-fosfogliserat.
2-fosfogliserat diubah menjadi senyawa fosfoenolpiruvat (PEP).
Fosfoenolpiruvat diubah menjadi asam piruvat disertai pembentukan ATP.

Proses akhir tahapan glikolisis dari perombakan 1 molekul glukosa akan dihasilkan:

2 molekul asalam piruvat (produk utama)
2 molekul NADH
2 molekul ATP (Harusnya 4 molekul ATP)

Karena saat proses glikolisis menggunakan 2 molekul ATP maka hasil bersih dari proses glikolisis adalah sebesar 2 molekul NADH dan 2 molekul ATP.

2. Dekarboksilasi Oksidatif

Dekarboksilasi Oksidatif adalah proses merubah molekul asam piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis menjadi Asetil Koenzim A (Asetil Ko-A).
Proses ini terjadi di dalam membran Krista mitokondria.
Molekul asam piruvat mengalamai dekarbosilasi atau kehilangan gugus karboksil berupa CO2. CO2 sebagai produk samping dibuang keluar sel dengan cara difusi.
Gugus karbon yang tersisi akan mengalami Oksidasi (dengan bantuan Oksigen), sehingga gugus Hidrogen akan ditangkap oleh akseptor elektron berupa NAD+.
Gugus yang terbentuk kemudian ditambah Koenzim-A dengan bantuan vitamin B1.

Hasil akhir dari proses Dekarboksilasi Oksidatif adalah terbentuknya:

2 molekul Asetil Ko-A
2 molekul NADH

3. Daur Asam Sitrat (Siklus Krebs)

Daur asam sistrat disebut juga dengan siklus Krebs karena ditemukan oleh seorang ilmuan bernama Hans A. Krebs pada tahun 1930.
Siklus Krebs adalah proses merubah Asetil Ko-A menjadi berbagai produk asam dan energi yang terjadi di dalam mitokondria.
Asam yang dihasilkan dalam siklus Krebs adalah asam sitrat, asam alfa ketoglutarat, asam suksinat, asam malat dan asam oksaloasetat.
Tahapan siklus Krebs adalah sebagai berikut:

Molekul Asetil-KoA yang terbentuk dari proses sebelumnya akan mengalami kondensasi dengan oksaloasetat yang akan membentuk sitrat dengan bantuan enzim sitrat sintase.
Sitrat yang dihasilkan akan diubah menjadi isositrat dengan bantuan enzim akonitase.
Enzim dehidrogenasi isositrat mampu mengubah isositrat menjadi α-ketoglutarat dengan bantuan NADH. Dalam proses reaksi ini juga terjadi pelepasan satu molekul karbon dioksida.
Alfa-ketoglutarat mengalami proses oksidasi sehingga akan menghasilkan suksinil-KoA . Selama oksidasi ini, NAD+ menerima elektron (reduksi) menjadi NADH + H+. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah alpha-ketoglutarat dehidrogenase.
Suksinil-KoA diubah menjadi suksinat. Energi yang dilepaskan digunakan untuk mengubah guanosin difosfat (GDP) dan fosforilasi (Pi) menjadi guanosin trifosfat (GTP). GTP ini kemudian dapat digunakan untuk membuat ATP.
Suksinat yang dihasilkan dari proses sebelumnya akan dioksidasi menjadi fumarat. Ketika oksidasi inilah, FAD akan menerima elektron (reduksi) dan menjadi FADH2. Enzim suksinat dehidrogenase mengkatalisis pemindahan dua hidrogen dari suksinat.
Selanjutnya adalah proses hidrasi, proses ini menyebabkan terjadinya penambahan atom hidrogen pada ikatan karbon (C=C) sehingga akan menghasilkan produk berupa malat
Malat kemudian dioksidasi untuk menghasilkan oksaloasetat dengan bantuan enzim malat dehidrogenase. Oksaloasetat inilah yang akan menangkap asetil-KoA sehingga siklus krebs dapat terus menerus terjadi. Hasil akhir dari tahap ini juga berupa NADH.

Hasil akhir dari proses Siklus Krebs yang berlangsung selama 2 kali siklus adalah terbentuknya:

6 molekul NADH
2 molekul FADH
2 molekul ATP

4. Rantai Transport Elektron

Proses transpor elektron adalah tahapan mengubah FADH2 dan NADH yang dihasilkan pada 3 tahapan respirasi aerob (glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus kreb) menjadi energi yang dapat digunakan oleh tubuh yang berupa ATP.
Proses transport elektron terjadi pada membran dalam mitokondria (Krista)
FADH2 merupakan singkatan dari Flavin Adenin Dinukleotida adalah salah satu bentuk energi namun berupa energi yang belum dapat digunakan oleh tubuh.
FADH2 merupakan kofaktor redoks yang dibuat selama Siklus Krebs dan digunakan selama bagian terakhir dari respirasi (rantai transpor elektron).
Fungsi dari FADH2 adalah sebagai kurir elektron dalam rantai transpor elektron.
NADH adalah singkatan dari Nikotinamida Adenosine Dinukleotida Hidrogen, yaitu bentuk koenzim aktif dari vitamin B3, merupakan sebutan bagi molekul NAD⁺ yang tereduksi dengan penambahan 1 atom hidrogen. NADH juga merupakan salah satu bentuk energi yang belum dapat digunakan oleh tubuh.
Baik FADH2 dan NADH adalah bentuk energi yang belum dapat digunakan oleh tubuh. Agar dapat digunakan oleh tubuh, kedua molekul tersebut perlu diubah menjadi ATP (Adenosin Trifosfat). Selanjutnya, ATP ini akan menjadi bentuk energi yang dapat digunakan tubuh dalam melakukan berbagai aktivitas.
Perubahan FADH2 dan NADH terjadi pada tahapan transpor elektron respirasi aerob. Ada dua molekul yang diubah menjadi ATP pada tahapan transpor elektron, yaitu FADH2 dan NADH.

Skema Transport Elektron

Tahapan-tahapan dalam transport elektron adalah sebagai berikut:

NADH diuraikan menjadi NAD+ yang membuat elektron hasil dari reaksi makan masuk ke kompleks protein 1 kemudian dikirim ke koenzim Q. Saat elektron melewati kompleks protein 1 akan dikeluarkan 1 atom hidrogen.
Elektron dari koenzim Q dibawa melewati kompleks protein 3 ke sitokrom C. Saat melewati kompleks protein 3, akan dikeluarkan 1 atom hidrogen.
Kemudian dari sitokrom C, elektron akan dibawa ke matriks mitokondria melalui kompleks protein 4. Saat elektron melewati kompleks protein 4 akan mengeluarkan 1 atom hidrogen lagi.
Setiap ion hidrogen yang dihasilkan akan dibawa masuk ke dalam matriks mitokondria melewati ATPase. Setiap 1 atom hidrogen yang masuk akan mengubah 1 ADP menjadi 1 ATP.
Kemudian, elektron akan bereaksi dengan ion hidrogen dan ditangkap oleh oksigen dan menghasilkan molekul air atau H2O. Oksigen berperan sebagai aseptor elektron (penangkap elektron) terakhir. Jumlah ion hidrogen yang dikeluarkan berjumlah 3, sehingga akan membentuk 3 ATP untuk setiap perubahan 1 molekul NADH.

Hasil akhir dari proses transport elektron adalah terbentuknya:

10 NADH = 30 ATP (1 NADH = 3 ATP)
2 FADH2 = 4 ATP (1 FADH2 = 2 ATP)
4 ATP

Jadi, seluruh ATP yang dihasilkan oleh 1 molekul glukosa dari tahap Glikolisis hingga Transport Elektron adalah sebesar 38 ATP. Simaklah pada tabel perhitungan total energi dibawah ini:

Tabel perhitungan total energi yang dihasilkan dari 1 molekul glukosa

2. Respirasi Anaerob

Respirasi anaerob merupakan jalur reaksi penghasil energi tanpa membutuhkan Oksigen.
Karena tidak membutuhkan Oksigen, respirasi anaerob disebut juga reaksi fermentasi.
Saat setelah olahraga berat, paru-paru akan terengah-engah untuk mendapatkan Oksigen dan energi secara cepat. Sel tubuh mengatasi kekurangan sumber energi dengan cara memperpendek jalur respirasi, yaitu tanpa menggunakan Oksigen.
Fermentasi adalah reaksi yang merubah glukosa menjadi energi melalui tahapan glikolisis dan pembentukan NAD.
Glikolisis pada respirasi anaerob berlangsung baik pada kondisi tanpa oksigen.
Fermentasi pada makhluk hidup dibedakan menjadi 2 tipe reaksi, yaitu ferementasi alkohol dan fermentasi asam laktat.

1. Fermentasi Alkohol

Fermentasi alkohol biasanya dilakukan oleh bakteri anaerob dan yeast atau ragi.
Contohnya dalam pembuatan bir dari sari buah digunakan yeast Saccaromyces cerevicae untuk melakukan fermentasi membentuk alkohol.
Mekanisme fermentasi alkohol adalah sebagai berikut:
Glukosa (berkarbon 6) dirubah menjadi asam piruvat (berkarbon 3) melalu proses glikolisis.
Asam piruvat (berkarbon 3) melepaskan CO2 menjadi asetaldehid (berkarbon 2).
Asetaldehid direduksi oleh NADH menghasilkan etanol dan melepaskan NAD+.
NAD+ masuk kembali ke siklus glikolisis, sementara aseltaldehid berperan sebagai akseptor elektron.

Hasil akhir dari proses fermentasi alkohol adalah terbentuknya:

2 molekul etanol
2 molekul CO2
2 molekul ATP

2. Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat terjadi apabila sel-sel otot hewan atau menusia dalam kondisi kekurangan suplai Oksigen.
Fermantasi asam laktat terjadi karena pemecahan gula untuk membentuk ATP melebihi pasokan Oksigen dalam darah.
Fermentasi pembentukan asam laktat juga dilakukan oleh beberapa spesies bakteri dan jamur. Contohnya Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophilus yang berperan dalam produksi minuman probiotik.

Tahapan reaksi fermentasi asam laktat adalah sebagai berikut:

Bahan dasar berupa 1 molekul glukosa (berkarbon 6) dirubah menjadi asam piruvat (berkarbon 3) melalui reaksi Glikolisis.
Asam piruvat direduksi oleh NADH hingga membentuk asam laktat (berkarbon 3) dan melepaskan NAD+.
NAD+ masuk kembali ke siklus glikolisis dan asam piruvat berperan sebagai akseptor elektron.

E. Anabolisme Karbohidrat

Anabolisme karbohidrat adalah reaksi pembentukan karbohidrat dari beberapa senyawa sederhana dengan bentuan energi.

Energi dapat diperoleh dari sumber cahaya baik itu cahaya lampu atau matahari disebut dengan fotosintesis. Sedangkan energi yang diperoleh dari zat kimia disebut kemosintesis.

1. Fotosintesis

Definisi sederhana dari fotosintesis adalah reaksi reaksi penyusunan senywa sederhana menjadi senyawa organik kompleks (karbohidrat) dengan bantuan cahaya sebagai sumber energi.
Fotosintesis terjadi pada organ tubuh makhluk hidup yang memiliki kloroplas, contohnya adalah tanaman hijau, alga, ganggang dan beberapa spesies bakteri.
Bahan utama proses fotosintesis adalah zat anorganik sederhana berupa air (H2O) dan Karbondioksida (CO2).
Fotosintesis yang terjadi pada tanaman terjadi dalam 2 jenis reaksi, yaitu reaksi terang dan gelap.
Secara sederhana proses reaksi fotosintesis dapat dilihat pada skema dibawah ini:

Skema reaksi fotosintesis
Sumber : Foto Google

2. Organ-Organ Fotosintesis

1. Kloroplas

Pada tanaman hijau proses fotosintesis terjadi pada bagian tubuh tanaman yang mengandung organel kloroplas, seperti daun, batang dan ranting.
Dalam setiap sel mesofil diperkirakan terdapat 30-40 kloroplas.
Bentuk kloroplas adalah seperti cakram dengan ukuran 2-4 μm x 4-7 μm.
Didalam kloroplas terdapat bagiang-bagian yang memiki beragam fungsi, diantaranya:

Selubung luar = Adalah berupa membran rangkap (luar dan dalam) yang dipisahkan oleh ruang antar membran
Tilakoid = Merupakan sistem membran yang berbentuk kantung-kantung pipih, berisi klorofil dan pigmen-pigmen fotosintetik lainnya. Tilakoid merupakan tempat terjadinya reaksi terang fotosintesis.
Grana (jamak) / Granum (tunggal) = Merupakan tumpukan dari kepingang-kepingan Tilakoid.
Stroma = Merupakan cairan koloid diluar tilakoid yang mengandung enzim-enzim dan bahan-bahan kimia seperti gula dan asam-asam organik. Stroma adalah tempat terjadinya reaksi gelap fotosintesis.
DNA dan Ribosom = Adalah unit materi genetik yang berfungsi dalam siklus sel.

Struktur Kloroplas
Sumber : Foto Google

2. Fotosistem (P700 dan P680)

Cahaya matahari memancarkan suatu energi elektromagnetik dalam bentuk foton.
Foton ditangkap oleh tumbuhan menggunakan suatu unit yang disebut Fotosistem.
Fotosistem terdiri dari kompleks antena, protein dan molekul organik lain yang terdapat di dalam membran tilakoid.
Kompleks antena tersusun atas kumpulan pigmen yaitu klorofil a dan b serta karotenoid. Fungsi antena adalah sebagai pengumpul energi cahaya matahari / foton.
Klorofil a yanng berwarna hijau menyerap cahaya biru-ungu, klorofil b yang berwarna jingga menyerap cahaya biru-jingga, dan karotenoid menyerap cahaya biru-hijau.
Fotosistem dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu Fotosistem 1 dan 2.
Fotosistem 1 disebut juga sebagai Photosystem 700 (P700) karena di dalamnya terdapat klorofil a yang mampu menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm.
Fotosistem 2 terdapat klorofil a yang mampu menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm, sehingga disebut juga P680.
Kedua fotosistem bekerja sama dalam reaksi terang fotosintesis untuk menghasilkan ATP dan NADH.

F. Tahapan Reaksi Fotosintesis

Fotosintesis yang terjadi di dalam kloroplas tanaman hijau terbagi menjadi 2 tahap reaksi, yaitu reaksi terang dan gelap.
Disebut reaksi terang karena memang reaksi berlangsung saat adanya cahaya (lampu/cahaya matahari). Pada reaksi ini terjadi penangkapan foton oleh komplek fotosistem (1 dan 2) untuk menghasilkan energi (ATP dan NADH).
Sedangkan reaksi gelap adalah tahap berikutnya setelah reaksi terang yang mempunyai rangkaian reaksi pembentukan karbohidrat dari CO2 dan bantuan ATP hasil reaksi terang. Istilah reaksi gelap bukan berarti terjadi saat malam hari, namun reaksinya tidak memerlukan energi cahaya dalam proses reaksinya.

1. Reaksi Terang

Reaksi terang ditemukan oleh seorang ahli Mikrobiologi bernama C.B. Van Niel saat mengamati proses fotosintesis yang terjadi pada bakteri belerang ungu.
Reaksi terang pada tanaman terjadi pada organel di Grana (tumpukan Tilakoid).
Hasil akhir reaksi terang adalah terbentuknya ATP, NADH dan dibebaskannya O2 (Oksigen).
Oksigen dihasilkan dari proses pemecahan air (H2O) dengan bantuan cahaya matahari, disebut juga fotolisis.
Dalam reaksi terang terdapat 2 rute aliran elektron, yaitu siklik dan non-siklik.

1. Aliran Non-Siklik

Aliran non-siklik memiliki rantai transport elektron yang lebih panjang menggunakan fotosistem I dan II. Mekanisme aliran elektron non-siklik adalah sebagai berikut:

Klorofil a pada fotosistem 2 (P680) menyerap cahaya / foton.
Elektron berenergi tinggi dari klorofil a terlepas (terksitasi) dan ditangkap oleh akseptor elektron primer fotosistem 2.
Klorofil a (P680) menjadi klorofil a+ karena kehilangan elektronnya (teoksidasi).
Air (H2O) yang terkena cahaya melepaskan elektronnya (e-), terurai menjadi 2 ion hidrogen (H+) dan 1 atom oksigen. Satu atom oksigen akan bergabung dengan atom oksigen lainnya membentuk Oksigen (O2).
Elektron yang dilepas air akan ditangkap oleh klorofil a+ sehingga klorofil a menjadi normal kembali.
Elektron yang ditangkap akseptor primer fotosistem 2 dialirkan ke plastoquinon (Pq), kemudian ke komplek sitokrom, dan ke plastosianin (Pc), Plastokinon, kompleks sitokrom, dan plastosianin merupakan rantai transport elektron pada kloroplas.
Bersamaan dengan peristiwa tersebut, cahaya juga diserap oleh klorofil a (P700) pada fotosistem 1 sehingga klorofil a (P700) menjadi klorofil a+ (teroksidasi).
Elektron dari plastosianin ditangkap oleh klorofil a+ fotosistem 1, sehingga klorofil tersebut menjadi normal kembali.
Setiap perpindahan elektron menghasilakn energi (eksergonik), energi tersebur digunakan oleh membran tilakoid untuk menyusun ATP dari ADP. Reaksi penyusunan ATP disebut dengan fosforilasi karena dikendalikan oleh cahaya. Fotofosforilasi pada aliran elektron non-siklik disebut fotofosforilasi non-siklik.
Elektron yang dilepaskan oleh klorofil a fotosistem 1 pada saat terkena cahaya, diterima oleh akseptor elektron primer fotosistem 1.
Elektron dari akseptor primer fotosistem 1 dialirkan ke rantai transpor elektron yang terdiri atas feredoksin (Fd). Feredoksin merupakan protein yang mengandung besi (Fe).
Elektron dari Feredoksin dialirkan oleh enzim NADP+ reduktase ke NADP+.
NADP+ menangkap dari elektron dan ion H+ menjadi NADPH. NADPH merupakan sumber energi untuk menyintesis gula.

Skema aliran elektron non-siklik reaksi terang fotosintesis
Sumber : Biology Campbell

2. Aliran Elektron Siklik

Aliran elektron siklik hanya terjadi pada fotosistem 1. Disebut siklik karena terjadi aliran siklus yang berulang. Aliran siklik elektron memiliki rantai transpor elektron lebih pendek daripada non-siklik dan bertujuan untuk menghasilkan ATP tambahan. Mekanisme aliran elektron siklik adalah sebagai berikut:

Klorofil a (P700) pada fotosistem 1 menyerap cahaya dan melepaskan elektronnya sehingga menjadi klorofil a+ (teroksidasi).
Elektron berenergi tinggi dari klorofil a dilepaskan, kemudian ditangkap oleh akseptor primer fotosistem 1.
Elektron pada akseptor primer fotosistem 1 dialirkan ke feredoksin (Fd).
Elektron dari feredoksin (Fd) dikembalikan ke klorofil a+ fotosistem 1 melalui kompleks sitokrom, kemudian ke plastosianin (Pc) sehingga klorofil a menjadi normal kembali.

Skema aliran siklik reaksi terang fotosintesis
Sumber : Biology Campbell

Hasil akhir dari reaksi terang fotosintesis menggunakan skema aliran elektron siklik dan non-siklik adalah terbentuknya ATP dan NADPH. Secara sederhana mekanisme reaksi terang terdiri dari fotolisis air, fotofosforilasi dan pembentukan NADPH.

Fotolisis air = Pemecahan air (H2O) dengan bantuan cahaya matahari menghasilkan 2 atom Hidrogen dan 1 atom Oksigen.
Fotofosforilasi = Pembentukan ATP dari ADP dengan bantuan cahaya.
Pembentukan NADPH = Terjadi pada aliran elektron non-siklik.

2. Reaksi Gelap (Siklus Calvin)

Reaksi gelap fotosintesis dikemukakan oleh Dr. Melvin Calvin dan Andrew Benson pada tahun 1961, sehingga reaksi ini desebut juga Siklus Calvin.
Reaksi gelap terjadi di Stroma dari Klroplas.
Bahan utama yang digunakan dalam siklus Calvin adalah gas CO2, ATP dan NADPH.
Hasil akhir dari siklus Calvin adalah berupa produk Gliseraldehid-3-fosfat (PGAL), Glukosa, ADP dan NADP+.
Mekanisme siklus Calvin terdiri dari 3 tahap, yaitu Fiksasi, Reduksi dan Regenerasi.

1. Fiksasi Karbon (CO2)

Gas CO2 diikat oleh molekul organik bifosfat atau RuBp (Ribulosa Bi fosfat/gula berkarbon 5) yang dikatalisis oleh enzim Rubisko (RuBp Karboksilase).
Fiksasi CO2 oleh RuBp menghasilkan zat intermediet berkarbon 6 yang segera terurai menjadi molekul 3-fosfogliserat (PGA).

2. Reduksi

Molekul 3-fosfogliserat (PGA) kemudian menangkap gugus fosfat dari ATP untuk membentuk 1,3-bifosfogliserat.
NADPH yang berasal dari reaksi terang melepaskan elektronnya untuk mereduksi gugus 1,3-bifosfogliserat menjadi gliseraldehid 3-fosfat (G3P).
1 dari 6 molekul G3P membentuk 1 molekul gula berkarbon 3.
2 molekul gula berkarbon 3 bergabung menjadi 1 membentuk gula berkarbon 6 dengan mengalami 2 kali siklus Calvin.

3. Regenerasi RuBp

5 buah molekul GPA yang tersisa akan mengikat fosfat dari penguraian ATP untuk menyusun kembali RuBp.
RuBp berfungsi sebagai akseptor CO2.

Tahapan siklus Calvin
Sumber : Biology Campbell

G. Faktor yang Mempengaruhi Fotosintesis

1. Intensitas Cahaya

Intensitas cahaya tinggi dapat meningkatkan laju reaksi fotosintesis, namun intensitas cahaya yang terlalu tinggi akan merusak klorofil dan menyebabkan sel daun terdehidrasi / kering.

2. Panjang Gelombang Cahaya

Panjang gelombang cahaya yang cocok untuk fotosintesis adalah cahaya tampak yang memiliki spektrum cahaya berwarna MeJiKuHiBiNiU. Fotosintesis akan berlangsung optimal apabila berada pada cahaya biru-ungu (panjang gelombang 450 nm) dan cahaya merah (panjang gelombang 680 nm).

3. Konsentrasi CO2

CO2 terlalu tinggi di lingkungan akan mengganggu proses fotosintesis, karena akan menghambat respirasi tanaman. Kadar CO2 yang cukup akan mempercepat laju reaksi fotosintesis.

4. Suhu

Fotosintesis berjalan optimal pada kisaran suhu 25 - 39 °C. Suhu yang terlalu tinggi menyebabkan kerja enzim terhenti dan terjadi denaturasi/kerusakan enzim. Sedangkan pada suhu terlalu rendah akan terbentuk kristal es yang menutup permukaan daun, batang dan akar, sehingga menyebabkan tidak terpasoknya sumber nutrisi dan daun menjadi kuning.

5. Ion Anorganik

Ion anorganik sangat penting untuk pembentukan klorofil daun, yaitu Ion N, Cl, Fe, B, Mn, Zn, S, Cu, Mo dan Mg. Apabila kekurangan Ion tersebut daun akan mengalami klorosis dan berubah warna menjadi kuning kecoklatan.

6. Zat Inhibitor

Zat inhibitor / penghambat proses fotosintesis seperti hujan asam, gas SO2 dan zat kimia (insektisida, herbisida).

H. Sumber & Referensi

Irnaningtyas. 2013. Biologi untuk SMA/MA Kelas XII. Penerbit Erlangga, Jakarta.
P. Ferdinan, F. dan Ariebowo, M. 2008. Praktis Belajar Biologi 2 (SMA Kelas XI) - KTSP 2006. Buku Sekolah Elektronik (BSE), ISBN: 9789790688230.
Urry, L.A., et al. 2017. Bilogy Campbell 11th Edition. Pearson Education Inc., USA.

Blog Masiki