METABOLISME

   Metabolisme adalah reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam sel. Reaksi kimia ini akan mengubah suatu    zat menjadi zat lain.

Proses metabolisme yang terjadi di dalam sel makhluk hidup seperti pada tumbuhan dan manusia, melibatkan sebagian besar enzim (katalisator) baik berlangsung secara sintesis (anabolisme) dan respirasi (katabolisme). 

1. Anabolisme
Anabolisme adalah proses-proses penyusunan energi kimia melalui sintesis senyawa-senyawa organik atau pembentukan molekul-molekul kompleks dari molekul sederhana, contoh fotosintesis.

2. Katabolisme
Katabolisme adalah penguraian molekul-molekul kompleks menjadi molekul-molekul sederhana, contoh respirasi. Semua reaksi tersebut dikatalisis oleh enzim, baik oleh reaksi yang sederhana maupun reaksi yang rumit.

                           

Metabolisme juga berperan mengubah zat yang beracun menjadi senyawa yang tak beracun dan dapat dikeluarkan dari tubuh. Proses ini disebut detoksifikasi. 

Apa peran enzim di dalam reaksi kimia yang terjadi di dalam sel? 

Pada saat berlangsungnya peristiwa reaksi biokimia di dalam sel, enzim bekerja secara spesifik. Enzim mempercepat reaksi kimia yang menghasilkan senyawa ATP dan senyawa-senyawa lain yang berenergi tinggi seperti pada proses respirasi, fotosintesis, kemosintesis, sintesis protein, dan lemak.

Sifat-sifat enzim:

1.  merupakan protein

2. biokatalisator (katalisator hidup yang mempercepat reaksi kimia tetapi tidak berubah setelah selesai reaksi.

3. mempercepat reaksi kimia dengan jalan menurunkan energi aktivasi.

4. tidak mengubah keseimbangan reaksi.

5. bekerja sangat spesifik, yaitu satu substrat, satu enzim.

6. memiliki sisi aktif atau sisi katalistik, yaitu bagian enzim tempat substrat berkombionasi.

7. substrat “asing” berfungsi menghambat reaksi disebut inhibitor dan yang berfungsi mempercepat reaksi disebut aktivator.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim:

1. konsentrasi substrat,

2. konsentrasi enzim,

3. temperatur,

4. prubahan pH.

B. Respirasi Aerob dan Anaerob

Respirasi merupakan oksidasi senyawa organik secara terkendali untuk membebaskan energi bagi pemeliharaan dan perkembangan makhluk hidup.

1. Respirasi aerob, yaitu respirasi yang membutuhkan oksigen bebas.

2. Respirasi anaerob, yaitu respirasi yang tidak membutuhkan oksigen bebas.

Respirasi sel secara aerob berlangsung melalui empat tahap, yaitu:

1. Glikolisis

·         Glikolisis merupakan proses pengubahan molekul sumber energi, yaitu glukosa yang mempunyai 6 atom C manjadi senyawa yang lebih sederhana, yaitu asam piruvat yang mempunyai 3 atom C. 

·         berlangsung di sitoplasma,

·         berlangsung secara anaerob,

·         mengubah satu molekul glukosa menjadi dua molekul asam piruvat,

·         dihasilkan energi sebesar 2 ATP dan 2 NADH untuk setiap molekul glukosa.

·         Reaksi glikolisis mempunyai sembilan tahapan reaksi yang dikatalisis oleh enzim tertentu, tetapi disini tidak akan dibahas enzim-enzim yang berperan dalam proses glikolisis ini. 

·         Dari sembilan tahapan reaksi tersebut dapat dikelompokkan menjadi dua fase, yaitu fase investasi energi, yaitu dari tahap 1 sampai tahap 4, dan fase pembelanjaan energi, yaitu dari tahap 5 sampai tahap 9.
Pertama-tama, glukosa mendapat tambahan satu gugus fosfat dari satu molekul ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, membentuk glukosa 6-fosfat. Setelah itu, glukosa 6-fosfat diubah oleh enzim menjadi isomernya, yaitu fruktosa 6-fosfat. Satu molekul ATP yang lain memberikan satu gugus fosfatnya kepada fruktosa 6-fosfat, yang membuat ATP tersebut menjadi ADP dan fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Kemudian, fruktosa 1,6-difosfat dipecah menjadi dua senyawa yang saling isomer satu sama lain, yaitu dihidroksi aseton fosfat dan PGAL (fosfogliseraldehid atau gliseraldehid 3-fosfat). Tahapan-tahapan reaksi diatas itulah yang disebut dengan fase investasi energi.
Selanjutnya, dihidroksi aseton fosfat dan PGAL masing-masing mengalami oksidasi dan mereduksi NAD+, sehingga terbentuk NADH, dan mengalami penambahan molekul fosfat anorganik (Pi) sehingga terbentuk 1,3-difosfogliserat. Kemudian masing-masing 1,3-difosfogliserat melepaskan satu gugus fosfatnya dan berubah menjadi 3-fosfogliserat, dimana gugus fosfat yang dilepas oleh masing-masing 1,3-difosfogliserat dipindahkan ke dua molekul ADP dan membentuk dua molekul ATP. Setelah itu, 3-fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi 2-fosfogliserat. Setelah menjadi 2-fosfogliserat, sebuah molekul air dari masing-masing 2-fosfogliserat dipisahkan, menghasilkan fosfoenolpiruvat. Terakhir, masing-masing fosfoenolpiruvat melepaskan gugus fosfat terakhirnya, yang kemudian diterima oleh dua molekul ADP untuk membentuk ATP, dan berubah menjadi asam piruvat.
Setiap pemecahan 1 molekul glukosa pada reaksi glikolisis akan menghasilkan produk kotor berupa 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NADH, 4 molekul ATP, dan 2 molekul air. Akan tetapi, pada awal reaksi ini telah digunakan 2 molekul ATP, sehingga hasil bersih reaksi ini adalah 2 molekul asam piruvat (C3H4O3), 2 molekul NADH, 2 molekul ATP, dan 2 molekul air.

2. Dekarboksilasi Oksidatif Asam Piruvat

·         Dekarboksilasi oksidatif adalah reaksi yang mengubah asam piruvat yang beratom 3 C menjadi senyawa baru yang beratom C dua buah, yaitu asetil koenzim-A (asetil ko-A). 

·         Reaksi dekarboksilasi oksidatif ini (disingkat DO) sering juga disebut sebagai tahap persiapan untuk masuk ke siklus Krebs. 

·         berlangsung pada matriks mitokondria,

·         mengubah asam piruvat menjadi Asetil Koenzim A,

·         dihasilkan 1 NADH dan CO2 untuk setiap pengubahan molekul asam piruvat menjadi Asetil Koenzim A.

·  berikut penjelasan proses dekarboksilasi oksidatif: Pertama-tama, molekul asam cuka yang dihasilkan reaksi glikolisis akan melepaskan satu gugus karboksilnya yang sudah teroksidasi sempurna dan mengandung sedikit energi, yaitu dalam bentuk molekul CO2. Setelah itu, 2 atom karbon yang tersisa dari piruvat akan dioksidasi menjadi asetat (bentuk ionisasi asam asetat). Selanjutnya, asetat akan mendapat transfer elektron dari NAD+ yang tereduksi menjadi NADH. Kemudian, koenzim A (suatu senyawa yang mengandung sulfur yang berasal dari vitamin B) diikat oleh asetat dengan ikatan yang tidak stabil dan membentuk gugus asetil yang sangat reaktif, yaitu asetil koenzim-A, yang siap memberikan asetatnya ke dalam siklus Krebs untuk proses oksidasi lebih lanjut.

·         Selama reaksi transisi ini, satu molekul glukosa yang telah menjadi 2 molekul asam piruvat lewat reaksi glikolisis menghasilkan 2 molekul NADH.

·         Setelah melalui reaksi glikolisis, jika terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani tahapan reaksi selanjutnya, yaitu siklus Krebs yang bertempat di matriks mitokondria. Jika tidak terdapat molekul oksigen yang cukup maka asam piruvat akan menjalani reaksi fermentasi. Akan tetapi, asam piruvat yang mandapat molekul oksigen yang cukup dan akan meneruskan tahapan reaksi tidak dapat begitu saja masuk ke dalam siklus Krebs, karena asam piruvat memiliki atom C terlalu banyak, yaitu 3 buah. Persyaratan molekul yang dapat menjalani siklus Krebs adalah molekul tersebut harus mempunyai dua atom C (2 C). Karena itu, asam piruvat akan menjalani reaksi dekarboksilasi oksidatif.

3. Siklus Kreb’s

·         berlangsung pada matriks mitokondria,

·         mengubah Asetil Koenzim A menjadi CO2,

·         untuk tiap molekul senyawa Asetil Koenzim A dihasilkan 1 ATP, 1 FADH, dan 3 NADH.

4. Rantai Transpor Elektron

·         NADH dan FADH merupakan senyawa pereduksi yang menghasilkan ion hidrogen,

·         melalui rantai respirasi, hidrogen dari NADH dan FADH yang dihasilkan pada proses glikolisis. Dekarboksilasi oksidatif asam piruvat dan siklus kreb’s dilepaskan ke oksigen (sebagai senyawa penerima hidrogen terakhir), untuk membentuk H20 dengan melepaskan energi secara bertahap,

·         satu molekul NADH akan menghasilkan 3 ATP, sedangkan satu molekul FADH akan menghasilkan 2 ATP.

Pada respirasi anaerob jalur yang ditempuh meliputi:

1. glikolisis

2. pembentukkan alhokol (fermentasi alkohol) atau pembentukkan asam laktat (fermentasi asam laktat). Contoh organisme yang melakukan fermentasi alkohol adalah ragi. Reaksi fermentasi adalah:

·         C6H12O6 (glukosa) → 2 CH3-CH2-OH (etanol) + 2 CO2 + E

·         contoh organisme yang melakukan fermentasi asam susu adalah bakteri asam susu yang menyebabkan asamnya susu.

C. Fotosintesis

Fotosintesis adalah proses pembentukkan bahan organik dari bahan organik dengan bantuan cahaya dan kloroplas. Proses fotosintesis terjadi pada kloroplas dengan dua tahap reaksi, yaitu:

1. Reaksi Terang

·         terjadi pada tilakoid (grana) kloroplas,

·         terjadi proses fotolisis air sehingga dihasilkan oksigen. Jadi, oksigen dihasilkan dari H2O,

·         reaksi tergantung pada cahaya untuk mengubah energi cahaya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH.

2. Reaksi Gelap

·         terjadi pada stroma kloroplas,

·         reaksi yang dapat (bukan harus) berlangsung dalam gelap karena enzim-enzim untuk fiksasi CO2 pada stroma kloroplas tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan ATP dan NADPH yang dihasilkan dari reaksi terang,

·         menggunakan daur Calvin (daur reduksi karbon, daur C-3) yang terdiri atas tiga bagian utama, yaitu:

1. karboksilasi adalah penambahan CO2 ke RuBp (Ribulosa Bi Pospat) membentuk dua molekul APG (Asam Pospo Gliserat) dengan bantuan enzim karboksilase,

2. reduksi adalah perubahan gugus karboksil dalam APG menjadi gugus aldehid dalam PGAL (Pospo Gliserat Aldehid),

3. regenerasi adalah pembentukkan kembali RuBp yang diperlukan untuk bereaksi dengan CO2 yang berdifusi ke dalam daun melalui stomata.

D. Kemosintesis

Kemosintesis adalah asimilasi karbon yang energinya berasal dari reaksi-reaksi kimia dan tidak diperlukan klorofil. Umumnya dilakukan oleh mikroorganisme, misalnya bakteri. Organismenya disebut kemoautotrof. Bakteri kemoautotrof ini akan mengoksidasi senyawa-senyawa tertentu dan energi yang timbul digunakan untuk asimilasi karbon.

·         contoh bakteri nitrit: Nitrosomonas, Nitrosococcus

·         contoh bakteri nitrat: Nitrobacter

·         contoh bakteri belerang: Thiobacillus, Begiatoa

E. Percobaan Tentang Fotosintesa dan Respirasi

1. Ingenhouz

·         tujuan: membuktikan pada fotosintesis dilepaskan oksigen,

·         obyek: tanaman air Hydrilla verticillata,

·         hasil: tanaman air yang ditutup dengan corong terbalik dan ditempatkan di bawah sinar matahari maka timbullah gelembung-gelembung gas (oksigen).

2. Engelmann

·         tujuan: membuktikan pada fotosintesis mutlak diperlukan klorofil,

·         obyek: ganggang Spyrogira dan bakteri oksigen,

·         hasil: hanya kloroplas yang terkena sinar yang melepaskan oksigen, hal ini terbukti dengan berkerumunnya bakteri oksigen di sekitar tempat yang terkena sinar.

3. Sachs

·         tujuan: membuktikan bahwa pada fotosintesis dihasilkan amilum,

·         obyek: daun yang sebagian ditutup dan reagent Yodium,

·         hasil: daun yang menjadi obyek dimasukkan ke air panas kemudian ke alkohol dan kemudian ke reagent Yodium. Hasilnya adalah daun yang tidak ditutup berwarna hitam dan yang ditutup tidak berwarna.

4. Percobaan Respirasi pada Hewan

·         tujuan: mempelajari respirasi pada hewan, melihatfaktor-faktor yang mempengaruhi jumlah kebutuhan oksigen pada hewan saat bernafas.

Bahan makanan sebagai sumber energi

4 jenis nutrien utama, yaitu:

1.Makronutrien (karbohidrat, protein, lipid) menyuplai energi bagi tubuh

2.Vitamin membantu penggunaan makronutrien dan mempertahankan jaringan tubuh.

3.Mineral mempertahankan homeostasis, dan

4.Air sbg pelarut dalam tubuh, dan sbg alat transport untuk mendistribusikan nutrien ke jaringan.