- Daftar
- 26 Apr 2020
- Poin
- 1,033
Metabolisme
Metabolisme adalah keseluruhan reaksi kimia yang berlangsung di dalam sel makhluk hidup, dibantu oleh enzim, beserta perubahan energi yang menyertainya. Metabolisme terbagi menjadi dua kelompok besar reaksi, yaitu anabolisme dan katabolisme.
1. Anabolisme dan Katabolisme
a. Anabolisme
Anabolisme (disebut juga asimilasi atau sintesis) adalah rangkaian reaksi kimia yang menyusun molekul/senyawa sederhana menjadi molekul/senyawa kompleks dengan bantuan enzim.
- Membutuhkan energi (panas, cahaya, atau kimia), sehingga disebut reaksi endergonik.
- Anabolisme yang menggunakan energi cahaya disebut fotosintesis.
- Anabolisme yang menggunakan energi kimia disebut kemosintesis.
Contoh reaksi anabolisme (fotosintesis):
6CO2 + 6H2O --(energi foton)--> C6H12O6 + 6O2
Pada reaksi ini terjadi pembentukan senyawa organik glukosa dari senyawa anorganik (CO2 dan H2O) dengan bantuan energi cahaya.
b. Katabolisme
Katabolisme (disebut juga desimilasi) adalah rangkaian reaksi kimia yang membongkar/menguraikan/memecah molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana dengan bantuan enzim.
- Reaksi ini melepaskan energi, sehingga disebut reaksi eksergonik.
- Energi yang dilepaskan disimpan dalam bentuk ATP.
- Reaksi yang umum terjadi berupa reaksi oksidasi.
- Katabolisme memiliki dua fungsi utama: (1) menyediakan bahan baku untuk sintesis molekul lain, dan (2) menyediakan energi kimia untuk aktivitas sel.
Contoh reaksi katabolisme (respirasi):
C6H12O6 + 6O2 --(klorofil/enzim)--> 6CO2 + 6H2O + Energi (ATP)
c. Perbandingan Anabolisme dan Katabolisme
| Variabel Pembeda | Anabolisme | Katabolisme |
|---|---|---|
| Bahan | Molekul sederhana | Molekul kompleks |
| Energi | Membutuhkan energi (endergonik) | Melepaskan energi (eksergonik) |
| Tempat berlangsung | Umumnya di kloroplas (fotosintesis) | Umumnya di sitosol dan mitokondria |
| Oksigen | Umumnya menghasilkan O2 (fotosintesis) | Umumnya membutuhkan O2 (respirasi aerob) |
| Hasil | Senyawa kompleks (misal glukosa) | Senyawa sederhana + energi (ATP) |
2. Respirasi Seluler
Mitokondria berfungsi sebagai penyedia energi (ATP) bagi seluruh aktivitas sel melalui proses respirasi.
Reaksi umum respirasi aerob:
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP
Glukosa (molekul organik kompleks) dioksidasi oleh oksigen sehingga terpecah menjadi ATP dengan hasil samping CO2 dan H2O.
Berdasarkan penggunaan oksigen, respirasi dibedakan menjadi:
- Respirasi aerob — menggunakan oksigen sebagai penerima elektron terakhir.
- Respirasi anaerob — tidak menggunakan oksigen; termasuk di dalamnya proses fermentasi.
Struktur dan Fungsi ATP
ATP (Adenosine Triphosphate) tersusun atas adenin, ribosa, dan tiga gugus fosfat yang diikat oleh ikatan berenergi tinggi. Ketika satu ikatan fosfat dilepaskan, ATP berubah menjadi ADP (Adenosine Diphosphate) dan melepaskan energi bebas yang digunakan sel untuk beraktivitas.
ATP -> ADP + fosfat organik + energi bebas
a. Tahapan Respirasi Aerob
Respirasi aerob berlangsung dalam empat tahap utama:
| Tahap | Tempat Berlangsung |
|---|---|
| Glikolisis | Sitosol/sitoplasma |
| Dekarboksilasi oksidatif | Matriks mitokondria |
| Siklus Krebs (siklus asam sitrat) | Matriks mitokondria |
| Transpor elektron (fosforilasi oksidatif) | Membran krista mitokondria |
1) Glikolisis
Glikolisis adalah peristiwa pemecahan satu molekul glukosa (6 atom C) menjadi 2 molekul asam piruvat (3 atom C), berlangsung di sitosol dalam kondisi anaerob.
Tahapannya terdiri atas dua fase:
- Fase investasi energi: glukosa diaktifkan menggunakan 2 ATP menjadi 2 molekul fosfogliseraldehid (PGAL). Pembentukan NADH pada fase ini dikatalisis oleh enzim dehidrogenase.
- Fase pembentukan energi: PGAL diubah menjadi asam piruvat sambil menghasilkan 4 ATP.
Hasil bersih glikolisis:
- ATP bersih: 4 ATP (dihasilkan) − 2 ATP (digunakan) = 2 ATP
- 2 NADH
- 2 asam piruvat (2C3)
Glukosa (C6) --2ATP digunakan--> 2 PGAL (2C3) --4ATP dihasilkan--> 2 Asam Piruvat (2C3)
2NAD+ -> 2NADH
2) Dekarboksilasi Oksidatif
Tahap ini mengubah 2 asam piruvat (hasil glikolisis) menjadi 2 asetil KoA di matriks mitokondria dalam suasana aerob, melalui dua peristiwa:
- Pelepasan gugus karboksil dari asam piruvat, dikatalisis enzim dekarboksilase, menghasilkan 2CO2 dan 2NADH (dikatalisis enzim dehidrogenase).
- Penambahan Koenzim A (KoA) pada sisa asam piruvat, membentuk 2 asetil KoA (2C2).
2 Asam Piruvat (2C3) -> 2 Asetil KoA (2C2) + 2CO2 + 2NADH
3) Siklus Krebs (Siklus Asam Sitrat)
Substrat siklus Krebs berupa 2 asetil KoA, berlangsung di matriks mitokondria melalui lima tahapan utama:
- 2 Asetil KoA + 2 Oksaloasetat + 2H2O → 2 Asam Sitrat (dikatalisis enzim sitrat sintase), melepaskan 2 KoA.
- 2 Asam Sitrat + 2H2O → 2 α-Ketoglutarat, melepaskan 2CO2 dan menghasilkan 2NADH.
- 2 α-Ketoglutarat → 2 Suksinat, melepaskan 2CO2, menghasilkan 2ATP dan 2NADH.
- 2 Suksinat + 2H2O → 2 Malat, menghasilkan 2FADH2.
- 2 Malat → 2 Oksaloasetat (reaksi isomerase), menghasilkan 2NADH.
Hasil total siklus Krebs (dari 2 asetil KoA):
- 4 CO2
- 2 ATP
- 6 NADH
- 2 FADH2
4) Fosforilasi Oksidatif: Transpor Elektron dan Kemiosmosis
Tahap terakhir respirasi aerob ini menggunakan seluruh NADH dan FADH2 yang telah terkumpul dari tiga tahap sebelumnya:
| Sumber | NADH | FADH2 |
|---|---|---|
| Glikolisis | 2 | - |
| Dekarboksilasi oksidatif | 2 | - |
| Siklus Krebs | 6 | 2 |
| Total | 10 | 2 |
Proses transpor elektron berlangsung di membran krista mitokondria melalui kompleks protein I, II, III, dan IV, serta membutuhkan sitokrom C sebagai pembawa elektron.
- Elektron dari NADH masuk melalui kompleks protein I.
- Elektron dari FADH2 masuk melalui kompleks protein II.
- Aliran elektron memompa proton (H+) dari matriks ke ruang antarmembran, menciptakan gradien konsentrasi H+.
- H+ mengalir kembali ke matriks melalui enzim ATP sintase (proses kemiosmosis), dan energi alirannya digunakan untuk mengubah ADP + fosfat menjadi ATP.
- Oksigen berperan sebagai akseptor elektron terakhir, membentuk molekul air (H2O).
Konversi energi:
| Sumber | Jumlah | Konversi | ATP dihasilkan |
|---|---|---|---|
| NADH | 10 | 1 NADH = 3 ATP | 30 ATP |
| FADH2 | 2 | 1 FADH2 = 2 ATP | 4 ATP |
| Total | 34 ATP |
Selain itu dihasilkan 12 H2O sebagai hasil samping karena elektron akhirnya diterima oleh oksigen bersama H+.
Rekapitulasi Total ATP Respirasi Aerob
| Tahap | Masukan Energi | Hasil ATP |
|---|---|---|
| Glikolisis | 2 ATP + 2NADH (2×3 ATP) | 8 ATP |
| Dekarboksilasi oksidatif | 2NADH (2×3 ATP) | 6 ATP |
| Siklus Krebs | 2 ATP + 6NADH (6×3 ATP) + 2FADH2 (2×2 ATP) | 24 ATP |
| Total | 38 ATP |
b. Fermentasi
Fermentasi adalah pemecahan molekul organik (glukosa) yang berlangsung secara anaerob (tanpa oksigen) dan menghasilkan energi (ATP) dalam jumlah yang jauh lebih sedikit dibandingkan respirasi aerob. Kedua jenis fermentasi tetap diawali dengan tahap glikolisis yang menghasilkan 2 asam piruvat, 2 ATP, dan 2 NADH, namun berbeda pada tahap keduanya.
1) Fermentasi Alkohol
Terjadi karena tidak tersedianya oksigen. Tahap kedua berupa dekarboksilasi nonoksidatif, yaitu reduksi 2 asam piruvat oleh 2 NADH menjadi 2 etanol, dengan melepaskan 2CO2 (gas inilah yang mengembangkan adonan roti).
C6H12O6 -> 2 C2H5OH (etanol) + 2CO2 + 2 ATP
2) Fermentasi Asam Laktat
Terjadi pada kondisi kekurangan oksigen, misalnya pada sel otot. Tahap kedua berupa reduksi 2 asam piruvat oleh 2 NADH menjadi 2 asam laktat, tanpa melepaskan CO2.
C6H12O6 -> 2 C3H6O3 (asam laktat) + 2 ATP
c. Perbandingan Respirasi Aerob dan Anaerob
| Variabel Pembeda | Respirasi Aerob | Respirasi Anaerob (Fermentasi) |
|---|---|---|
| Kebutuhan oksigen | Membutuhkan O2 | Tidak membutuhkan O2 |
| Tempat berlangsung | Sitosol + mitokondria | Sitosol |
| Tahapan | Glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus Krebs, transpor elektron | Glikolisis + reduksi asam piruvat |
| Hasil energi | 38 ATP | 2 ATP |
| Hasil akhir | CO2 + H2O | Etanol + CO2, atau asam laktat |
3. Fotosintesis
Fotosintesis berlangsung di dalam kloroplas, organel yang tersusun atas dua bagian utama:
- Grana: tumpukan membran tilakoid yang mengandung klorofil, tempat berlangsungnya reaksi terang.
- Stroma: cairan di sekeliling grana, tempat berlangsungnya reaksi gelap (Siklus Calvin).
Pigmen Fotosintesis
| Pigmen | Rumus | Fungsi Penyerapan Cahaya |
|---|---|---|
| Klorofil a | C55H72O5N4Mg | Cahaya merah, biru, ungu |
| Klorofil b | C55H70O5N4Mg | Cahaya biru dan oranye |
| Karotenoid | - | Pigmen kuning-oranye, menyerap cahaya biru-hijau |
Pada membran tilakoid terdapat dua pusat reaksi (fotosistem):
- Fotosistem I (FS I): mengandung klorofil a dan karotenoid, menyerap cahaya maksimum pada panjang gelombang 700 nm (P700).
- Fotosistem II (FS II): mengandung klorofil a dan b, menyerap cahaya maksimum pada panjang gelombang 680 nm (P680).
a. Reaksi Terang
Reaksi terang adalah proses transformasi energi cahaya (foton) menjadi energi kimia (ATP dan NADPH) yang akan digunakan pada reaksi gelap. Bahan utamanya adalah H2O, dan energi yang dibutuhkan berupa foton.
Empat tahap reaksi terang (fotofosforilasi nonsiklik):
- Aktivasi klorofil — Klorofil pada FS II (P680) menyerap foton sehingga elektronnya tereksitasi dan berpindah melalui akseptor-akseptor elektron.
- Fotolisis— Elektron yang hilang dari FS II digantikan oleh elektron hasil pemecahan air:
H2O -> 1/2 O2 + 2H+ + 2e-
Oksigen yang dihasilkan fotosintesis berasal dari proses fotolisis air ini. - Fotofosforilasi nonsiklik — Elektron dari FS II mengalir melalui rantai transpor elektron (plastokuinon, kompleks sitokrom, plastosianin) menuju FS I. Aliran elektron ini memompa H+ ke ruang tilakoid, menciptakan gradien konsentrasi yang memicu kemiosmosis melalui ATP sintase, menghasilkan ATP. Elektron kemudian memasuki FS I, tereksitasi kembali oleh foton, diterima oleh feredoksin, lalu ditransfer ke NADP+ membentuk NADPH (dikatalisis enzim NADP+ reduktase).
- Fotofosforilasi siklik — Elektron dari FS I dapat kembali ke sitokrom melalui feredoksin (bukan ke NADP+), sehingga hanya menghasilkan ATP tanpa NADPH. Jalur ini berfungsi menambah pasokan ATP.
Perbandingan Fotofosforilasi Nonsiklik dan Siklik
| Variabel | Nonsiklik | Siklik |
|---|---|---|
| Fotosistem yang terlibat | FS II dan FS I | FS I saja |
| Sumber elektron pengganti | Fotolisis air | Elektron didaur ulang dari FS I sendiri |
| Hasil O2 | Ya | Tidak |
| Hasil ATP | Ya | Ya |
| Hasil NADPH | Ya | Tidak |
Hasil akhir reaksi terang: ATP, NADPH, dan O2 (hasil samping dari fotolisis).
b. Reaksi Gelap (Siklus Calvin)
Reaksi gelap adalah proses sintesis glukosa menggunakan energi kimia (ATP dan NADPH) hasil reaksi terang, berlangsung di stroma dan tidak membutuhkan cahaya secara langsung. Bahan utamanya adalah CO2, dengan senyawa fiksator berupa RuBP (ribulosa bifosfat), gula berkarbon lima.
Untuk membentuk 1 molekul glukosa dibutuhkan 6CO2, 18 ATP, dan 12 NADPH. Reaksi gelap berlangsung dalam empat tahap:
- Fiksasi karbon — Enzim rubisco (RuBP karboksilase-oksigenase) mengkatalis pengikatan 6 CO2 pada 6 RuBP (6C5), membentuk senyawa tidak stabil berkarbon tiga, yaitu 12 asam fosfogliserat (12 PGA, 12C3).
- Reduksi — 12 PGA direduksi menggunakan ATP dan NADPH menjadi 12 PGAL (phosphogliseraldehid, 12C3).
- Sintesis — 12 PGAL terpecah menjadi 2 PGAL dan 10 PGAL. 2 PGAL berikatan membentuk 1 molekul glukosa (C6H12O6).
- Regenerasi — 10 PGAL diubah kembali menjadi 6 RuBP dengan bantuan ATP, sehingga siklus dapat berlangsung terus-menerus.
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH -> C6H12O6 + 18 ADP + 12 NADP+
Keterkaitan Reaksi Terang dan Reaksi Gelap
Reaksi terang di grana menghasilkan ATP dan NADPH yang menjadi sumber energi bagi reaksi gelap di stroma. Sebaliknya, reaksi gelap mengembalikan ADP dan NADP+ yang kemudian digunakan kembali oleh reaksi terang. Kedua reaksi ini saling bergantung dan berlangsung secara berkesinambungan selama fotosintesis.
