METABOLISME

Kuliah 3

Metabolisme

Metabolisme : Keseluruhan reaksi yang terjadi di dalam sel, meliputi proses penguraian dan sintesis molekul kimia yang menghasilkan dan membutuhkan panas (enegi) serta dikatalisis oleh enzim.

Ø  Metabolisme adalah proses-proses kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup (sel). Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis.

Ø  Berdasarkan prosesnya, metabolisme dikelompokkan menjadi:

    1. Anabolisme/Asimilasi/Sintesis

    2. Katabolisme (Dissimilasi)

q  Anabolisme sering juga disebut endorgenik merupakan proses reaksi sintesis  Þ menggabungkan molekul-molekul kecil menjadi makromolekul yang lebih kompleks; memerlukan energi yang disuplai dari hidrolisis ATP

q  Katabolisme sering disebut eksorgenik merupakan proses reaksi degradatif                   Þ memecah molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana; melepaskan energi yang  dibutuhkan untuk mensintesis ATP.

i.              Anabolisme/Asimilasi/Sintesis

Adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks dengan menggunakan energi.

a.    Fotosintesis

•         Fotosintesis terjadi pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik (clorofil).

•         Terjadi transformasi energi cahaya (cahaya matahari) menjadi  energi kimia.

•         Melalui fotosintesis, tumbuhan menyusun zat makanan berupa zat gula. Karena kemampuan menyusun makanannya sendiri inilah, tumbuhan disebut organisma ototrof. Tumbuhan disebut pula sebagai organisma produsen.

Upaya para ilmuwan dalam memahami proses fotosintesis

1. Percobaan Joseph Priestley

Seorang ahli kimia Inggris bernama Joseph Priestley (1772) menunjukkan bahwa tumbuhan mengeluarkan suatu gas yang membuat api lilin dapat menyala walaupun dalam tabung gelas yang tertutup.

2. Percobaan Jan Ingenhousz

Jan Ingenhousz (1779), ahli fisiologi dari German melakukan eksperimen dengan menggunakan tumbuhan air (Hydrila verticilata). Dari percobaannya ditunjukkan tiga hal penting, meliputi :

1. gas yang dikeluarkan oleh tumbuhan itu ternyata adalah O₂,
2. cahaya matahari dibutuhkan untuk proses tersebut,
3. bagian yang berhijau daun saja yang mengeluarkan O₂.

Seorang ahli botani dari Swiss, Jean Senebier dari hasil percobaannya menemukan bahwa CO₂ juga dibutuhkan untuk fotosintesis. Ahli kimia dan ahli fisiologi Swiss yaitu Nicholas de Saussure (1804) menunjukkan bahwa tanaman tumbuh dari air dan CO₂ yang diserapnya. Sachs (1860) menunjukkan bahwa fotosintesis menghasilkan zat gula atau karbohidrat yang disebut amilum.Berdasar temuan-temuan itu maka pemahaman tentang fotosintesis menjadi semakin lengkap. Fotosintesis kemudian dirumuskan dalam persamaan reaksi kimia:

                 n CO₂ + n H₂O + Energi Matahari   ‒ ‒®   [ CH₂O ]n + nO₂

                                                                        klorofil       zat gula

Van Niel adalah orang pertama yang menyatakan bahwa O₂ itu berasal dari pemecahan air. Hal itu didasarkan dari hasil temuannya tentang fotosintesis bakteri Sulfur.

Dengan energi matahari, bakteri Sulfur ternyata juga mampu menyusun zat gula dari CO₂ dan gas belerang (H₂S), bukan dengan air (H₂O) seperti pada tumbuhan. Bakteri ini melepaskan S, yang tentu berasal dari pemecahan H₂S. Persamaan reaksinya dinyatakan dalam

                              CO₂ + H₂S   →   [ CH₂O ]   +   2S   +   H₂O

                                                          zat gula

Tahun 1941, Ruben dan Kamen melakukan percobaan fotosintesis dengan menggunakan air bertanda. Pada air tersebut, komponen O-nya diberi tanda yang mudah dikenali dengan alat tertentu. Dengan cara ini, Dia berhasil membuktikan bahwa “gas” yang dilepaskan itu adalah O2 yang bertanda. Oksigen itu tentu berasal dari pemecahan air bertanda. Pemecahan air dengan energi cahaya yang diserap oleh sel-sel daun yang berfotosintesis ini disebut fotolisis. Dengan demikian, persamaan fotosintesis yang lengkap adalah sbb :

n CO₂ + 2n H₂O + Energi Matahari      ‒‒‒®        [ CH₂O ]n + n O₂ + n H₂O

                                                    klorofil ( zat gula )

Tempat dan Perangkat Alat Fotosintesis

a.    Fotosintesis dapat diibaratkan suatu proses yang terjadi dalam sebuah “pabrik”, yaitu “daun”.

b.    Sel-sel daun memiliki kelengkapan alat untuk menangkap energi matahari.

c.    Pada tumbuhan tertentu yang tidak berdaun seperti bangsa Kaktus, kelengkapan alat fotosintesisnya terdapat pada sel-sel lapisan luar dari batangnya.

Bagian-bagian Daun

1. jaringan epidermis (atas dan bawah),
2. jaringan tiang (palisade),
3.  jaringan bunga karang (spons),
4. jaringan pengangkutan.

Jaringan tiang dan bunga karang merupakan bagian yang disebut daging daun (mesofil). Mesofil, sel-selnya terdapat banyak alat berbentuk bulat atau lonjong yang berwarna hijau, yang disebut kloroplas. Kloroplas paling banyak terdapat pada sel-sel jaringan tiangnya. Pada setiap selnya, dapat memiliki 50 atau lebih kloroplas. Pada lapisan epidermisnya tidak ditemukan kloroplas, kecuali pada sel penutup mulut daunnya. Organela ini mudah dikenali dengan warnanya yang hijau karena banyak mengandung zat warna atau pigmen hijau daun yang disebut klorofil.

Kloroplas tersusun dari dua bagian:

1. Bangunan seperti tumpukan piring, disebut grana
2. Bahan yang mengisi di luar grana, disebut matrik stroma
3. Pada bagian grana, terdapat seluruh perangkat alat penangkap energi matahari (ibarat antena penerima). Alat penerima tersebut berupa kumpulan bermacam-macam zat pigmen.
4. Pigmen adalah suatu zat yang berfungsi menangkap atau memantulkan jenis sinar atau warna cahaya tertentu. Pigmen daun paling banyak adalah klorofil. Sekelompok pigmen yang merupakan satu kesatuan alat penerima energi cahaya ini disebut fotosistem.

b.    Kemosintesis

Kemosintesis merupakan reaksi anabolisme selain fotosintesis. Kemosintesis adalah konversi biologis satu molekul karbon atau lebih (biasanya karbon dioksida atau metana), senyawa nitrogen dan sumber makanan menjadi senyawa organik dengan menggunakan oksidasi molekul anorganik (contohnya, gas hidrogen, hidrogen sulfida) atau metana sebagai sumber energi. Kemosintesis adalah anabolisme yang menggunakan energi kimia. Energi kimia yang digunakan pada reaksi ini adalah energi yang dihasilkan dari suatu reaksi kimia, yaitu reaksi oksidasi. Organisme autotrof yang melakukan kemosintesis disebut kemoautotrof.

Menurut Campbell et al. (2002), prokariota paling awal adalah organisme kemoautotrof yang mendapatkan energi dari bahan kimia anorganik dan menghasilkan energinya sendiri dan bukannya menyerap ATP. Hal ini disebabkan Hidrogen sulfide (H₂S) dan senyawa besi (Fe²⁺) sangat berlimpah di bumi purbakala, dan sel-sel primitive kemungkinan mendapatkan energi dari reaksi melibatkan senyawa tersebut. Beberapa arkhaea modern saat ini dapat bertahan hidup pada sumber mata air panas yang mengandung sulfur dan melakukan reaksi kimia yang membebaskan energi.

FeS  +  H₂ S  ® FeS₂  + H₂   +  energi bebas

Protein membrane pada prokariota awal kemungkinan menggunakan sebagian energi bebas yang dihasilkan untuk memecahkan produk H₂ menjadi proton dan electron serta menghasilkan suatu gradient proton sepanjang membrane plasmanya. Dalam bentuk primitive kemiosmosis, gradient tersebut kemungkinan dapat menyebabkan terjadinya sintesis ATP.

Campbell et al. (2002), melaporkan percobaan yang dilakukan oleh Van Niel pada tahun 1930-an untuk mengamati proses fotosintesis pada bakteri yang membuat karbohidratnya dari CO₂ tetapi tidak melepaskan O­_2,  menyimpulkan bahwa pada bakteri tersebut CO₂ tidak terurai menjadi karbon dan oksigen. Satu kelompok bakteri menggunakan hydrogen sulfide (H₂S) dan bukannya air untuk fotosintesis, dan menghasilkan titik sulfur (belerang) warna kuning sebagai produk limbah dengan persamaan kimianya:

CO₂  +  2H₂S  ®   CH₂O  +  H₂O  +  2S

Kemampuan melakukan kemosintesis hanya dimiliki oleh beberapa jenis mikroorganisme, misalnya bakteri belerang nonfotosintetik (Thiobacillus) dan bakteri nitrogen (Nitrosomonas danNitrosococcus). Banyak mikroorganisme di daerah laut dalam menggunakan kemosintesis untuk memproduksi biomassa dari satu molekul karbon. Dua kategori dapat dibedakan. Pertama, di tempat yang jarang tersedia molekul hidrogen, energi yang tersedia dari reaksi antara CO₂ dan H₂ (yang mengawali produksi metana, CH₄) dapat menjadi cukup besar untuk menjalankan produksi biomassa.

Kemungkinan lain, dalam banyak lingkungan laut, energi untuk kemosintesis didapat dari reaksi antara O₂ dan substansi seperti hidrogen sulfida atau amonia. Pada kasus kedua, mikroorganisme kemosintetik bergantung pada fotosintesis yang berlangsung di tempat lain dan memproduksi O₂yang mereka butuhkan (Isnan, 2007).

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

(NH₄)₂CO₃  +  O₂   ®  2 HNO₂  +  CO₂   +  Energi

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

Ca(NO₂)₂  +  O₂    ®     Ca(NO₃)₂   +  Energi

c.    Sintesis KH, Lemak, Protein

1.Sintesis Lemak

Lemak dapat disintesis dari karbohidrat dan protein, karena dalam metabolisme, ketiga zat tersebut bertemu di dalarn daur Krebs. Sebagian besar pertemuannya berlangsung melalui pintu gerbang utama siklus (daur) Krebs, yaitu Asetil Ko-enzim A. Akibatnya ketiga macam senyawa tadi dapat saling mengisi sebagai bahan pembentuk semua zat tersebut. Lemak dapat dibentuk dari protein dan karbohidrat, karbohidrat dapat dibentuk dari lemak dan protein dan seterusnya.

a.    Sintesis Lemak dari Karbohidrat :

Glukosa diurai menjadi piruvat ———> gliserol.
Glukosa diubah ———> gula fosfat ———> asetilKo-A ———> asam lemak.
Gliserol + asam lemak ———> lemak.

b.    Sintesis Lemak dari Protein:

Protein ————————> Asam Amino
protease

Sebelum terbentuk lemak asam amino mengalami deaminasi lebih dabulu, setelah itu memasuki daur Krebs. Banyak jenis asam amino yang langsung ke asam piravat ———> Asetil Ko-A.

Asam amino Serin, Alanin, Valin, Leusin, Isoleusin dapat terurai menjadi Asam pirovat, selanjutnya asam piruvat ——> gliserol ——> fosfogliseroldehid Fosfogliseraldehid dengan asam lemak akan mengalami esterifkasi membentuk lemak.

Lemak berperan sebagai sumber tenaga (kalori) cadangan. Nilai kalorinya lebih tinggi daripada karbohidrat. 1 gram lemak menghasilkan 9,3 kalori, sedangkan 1 gram karbohidrat hanya menghasilkan 4,1 kalori saja.

2. Sintesis Protein

Sintesis protein yang berlangsung di dalam sel, melibatkan DNA, RNA dan Ribosom. Penggabungan molekul-molekul asam amino dalam jumlah besar akan membentuk molekul polipeptida. Pada dasarnya protein adalah suatu polipeptida. Setiap sel dari organisme mampu untuk mensintesis protein-protein tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat terjadi karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting sebagai “pengatur sintesis protein”. Substansi-substansi tersebut adalah DNA dan RNA.

ii.            Katabolisme (Dissimilasi), 

Yaitu proses penguraian zat untuk membebaskan energi kimia yang tersimpan dalam senyawa organik tersebut.
Contoh:

                                        enzim
C6H12O6 + 6 O2 ———————————> 6 CO2 + 6 H2O + 686 KKal.
energi kimia

Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil terjadi pelepasan energi sehingga terbentuk energi panas. Bila pada suatu reaksi dilepaskan energi, reaksinya disebut reaksi eksergonik. Reaksi semacam itu disebut juga reaksi eksoterm.