2. Metabolisme

Kalian pasti tahu bahwa untuk tumbuh dan berkembang organisme memerlukan energi yang berasal dari makanan, bukan? Tetapi apakah kalian tahu bagaimana makanan tersebut bisa menghasilkan energi? Ya, tentu saja makanan tersebut harus melalui serangkaian reaksi di dalam tubuh yang disebut dengan metabolisme.
Metabolisme terdiri dari katabolisme dan anabolisme dan melibatkan aktivitas enzim. Katabolisme adalah proses penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana. Anabolisme adalah proses penyusunan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks.

A. ENZIM
Enzim adalah satu atau beberapa gugus polipeptida (protein) yang berfungsi sebagai biokatalisator (senyawa kimia organik yang mempercepat reaksi kimia tapi tidak ikut bereaksi). Enzim bekerja dengan cara menempel pada permukaan molekul zat-zat yang bereaksi dan dengan demikian mempercepat proses reaksi.
1. Komponen Enzim
Enzim terdiri dari: (1) Apoenzim, yaitu bagian enzim yang tersusun dari protein dan (2) Gugus Prostetik, yaitu bagian enzim non protein. Gugus Protestik dapat berupa: (a) Kofaktor, yaitu gugus protestik yang berupa ion-ion logam atau (b) Koenzim, yaitu gugus protestik yang berupa molekul-molekul organik. Molekul gugus prostetik lebih kecil dan tahan panas (termostabil), ion-ion logam yang menjadi kofaktor berperan sebagai stabilisator agarenzim tetap aktif. Koenzim yang terkenal pada rantai pengangkutan elektron (respirasi sel), yaitu NAD (Nikotinamid Adenin Dinukleotida), FAD (Flavin Adenin Dinukleotida), sitokrom. Kompleks enzim yang tersusun atas apoenzim dan gugus protestik disebut Holoenzim.
Untuk lebih memahami tentang komponen enzim simak video berikut:

2. Sifat-Sifat Enzim
Enzim mempunyai sifat-siat sebagai berikut: (1) Biokatalisator, mempercepat jalannya reaksi tanpa ikut bereaksi, (2) Thermolabil; mudah rusak bila dipanasi lebih dari suhu 60º C (3) Merupakan senyawa protein, (4) Dibutuhkan dalam jumlah sedikit, (5)Dapat bekerja di dalam sel (endoenzim) dan di luar sel(ektoenzim), (6) Umumnya enzim bekerja mengkatalisis reaksi satu arah, (7) Bekerjanya spesifik ; hanya bekerja pada substrat tertentu saja, (8) Umumnya enzim tak dapat bekerja tanpa adanya kofaktor.
Ingin lebih paham tentang sifat-sifat enzim? Simak video berikut:

3. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kerja Enzim
Kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama adalah substrat, suhu, keasaman, aktivator dan inhibitor. Tiap enzim memerlukan suhu dan pH (tingkat keasaman) optimum yang berbeda-beda karena enzim adalah protein, yang dapat mengalami perubahan bentuk jika suhu dan keasaman berubah. Aktivator dapat mempercepat jalannya reaksi. Contoh aktivator enzim: ion Mg2+, Ca2+, zat organik seperti koenzim-A. Inhibitor akan menghambat jalannya reaksi enzim. Contoh inhibitor : CO, Arsen, Hg, Sianida.
Pada percobaan menentukan faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim khususnya katalase, diperoleh data seperti pada Tabel 2.1 berikut ini!
Tabel 2.1 Hasil Pengamatan Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim katalase

Maksud digunakannya H2O2 (Hidrogen peroksida) sebagai substrat dalam percobaan ini adalah karena H2O2 merupakan senyawa kimia organik yang memiliki sifat oksidator kuat dan bersifat racun dalam tubuh. Sehingga dengan adanya enzim katalase yang terdapat dalam ekstrak hati ayam, akan mempercepat reaksi penguraian H2O2 menjadi H2Odan O2. Hal ini dapat diuji dengan menambahkan substrat H2O2 ke dalam ekstrak hati ayam yang akan menunjukan timbulnya gelembung yang merupakan hasil penguraian H2O2 menjadi H2O dan saat dimasukkan lidi yang membara akan terdapat nyala api yang menandakan ada oksigen.

Dari hasil pengamatan, dapat disimpulkan bahwa enzim katalase akan bereaksi jika ditambahkan dengan H2O2 sebagai substratnya. Enzim katalase tidak dapat bekerja atau bereaksi jika dalam kondisi pH yang terlalu asam (HCl) atau yang terlalu basa (KOH/NaOH).

4. Mekanisme Kerja Enzim

Berikut ini adalah teori yang menjelaskan tentang cara kerja enzim:

Lock and Key Theory

Sesuai dengan namanya, cara kerja enzim menurut teori ini mirip dengan mekanisme kunci dan gembok.  Dalam hal ini, enzim diibaratkan seba-gai gembok yang bersifat aktif, sedangkan sub-strat diibaratkan sebagai kuncinya. Substrat akan memasuki enzim seperti layaknya kunci yang memasuki gembok. Selanjutnya, substrat akan diubah menjadi produk dan pada akhirnya sisi aktif enzim akan melepaskan produk dan siap menerima substrat baru yang lain. Untuk lebih jelasnya, mekanisme dapat dilihat pada Gambar 2.2!


Gambar 2.2. Kerja enzim menurut teori kunci gembok

# Induced Fit Theory

Pada teori ini, cara kerja enzim adalah dengan cara melakukan penye-suaian bentuk supaya bisa berikatan dengan substrat seperti yang tampak pada Gambar 2.3!


Gambar 2.3 Kerja enzim menurut teori induksi pas

Tujuan dari penyesuaian bentuk ini adalah untuk meningkatkan kecocokan dengan substrat sehingga membuat ikatan enzim dan substrat menjadi lebih reaktif. Sisi aktif molekul enzim akan menjadi tempat melekatnya substrat sehingga bisa membentuk molekul kompleks enzim – substrat. Molekul enzim akan berubah ke bentuk semula setelah produk dihasilkan dan siap untuk menerima substrat baru yang lain.

Masih bingung? Cermati video berikut:

B. KATABOLISME

Pada proses katabolisme dihasilkan energi, namun energi ini tidak dapat digunakan secara langsung oleh sel sehingga harus diubah dulu menjadi senyawa adenosin trifosfat (ATP). Contoh reaksi katabolisme yaitu respirasi baik respirasi aerob maupun respirasi anaerob (fermentasi).

  1. Respirasi Aerob

Respirasi aerobik adalah proses respirasi yang membutuhkan kehadiran oksigen dari udara. Secara sederhana, persamaan respirasi aerobik dapat ditulis sebagai berikut.

   C6H12O6 + 6O2 ——> 6CO2 + 6H2O + 688 kkal.

Dalam respirasi aerobik sedikitnya terdapat tiga tahapan yang terjadi. Ketiga tahapan tersebut adalah glikolisis, siklus Krebs, dan transpor elektron.

  • Glikolisis.

Glikolisis adalah rangkaian reaksi yang dikatalis oleh enzim untuk memecah satu molekul glukosa menjadi dua molekul piruvat. Proses glikolisis terjadi di dalam sitoplasma atau diluar mitokondria. Selain piruvat, proses glikolisis juga akan menghasilkan 2 molekul NADH (nikotinadenin dinukleotida hidrogen) dan 2 molekul ATP. Sebagian ahli ada yang membedakan tahap awal respirasi aerob menjadi dua tahap, yaitu glikolisis dan dekarboksilasi oksidatif piruvat, adalah perubahan piruvat menjadi asetil koenzim A (asetil-KoA) di mitokondria dengan menghasilkan 2CO2 dan 2NADH.
Coba simak video berikut, siapa tahu anda bisa lebih paham!

  • Siklus Krebs

Asam piruvat (3C) sebagai hasil akhir glikolisis diubah menjadi asetil-KoA (2C). Selanjutnya, asetil-KoA akan memasuki suatu siklus yang disebut siklus Krebs. Siklus Krebs terjadi di dalam mitokondria sel. Hasilnya adalah 4CO2, 2ATP, 6NADH dan 2FADH2.
Berikut video pembelajaran tentang siklus krebs:

  • Sistem Transpor Elektron (STE)

Pada tahapan respirasi aerobik sebelumnya, yaitu glikolisis dan siklus Krebs dihasilkan sumber elektron. Sumber elektron tersebut adalah NADH dan FADH (flavin adenin dinukleotida hidrogen) dalam bentuk FADH2. Kedua sumber elektron inilah yang selanjutnya akan memasuki tahap akhir respirasi aerobik, yaitu sistem transpor elektron. Dalam sistem transpor elektron, setiap hidrogen yang dihasilkan oleh pemecahan glukosa akan diterima oleh akseptor hidrogen secara berantai. Elektron pada hidrogen yang dipindahkan dari satu NADH dapat menghasilkan 3 ATP, sedangkan dari satu FADH2 dapat menghasilkan 2 ATP.

Berikut video pembelajaran tentang sistem transport elektron!

2. Respirasi Anaerob

Pada kebanyakan tumbuhan dan hewan respirasi yang berlangsung adalah respirasi aerob, namun demikian dapat saja terjadi respirasi aerob terhambat pada sesuatu hal, maka hewan dan tumbuhan tersebut melangsungkan proses fermentasi yaitu proses pembebasan energi tanpa adanya oksigen (respirasi anaerob). Berdasarkan hasil akhirnya, fermentasi dibedakan menjadi fermentasi asam laktat/asam susu dan fermentasi alkohol.

  • Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat yaitu fermentasi dimana hasil akhirnya adalah asam laktat. Peristiwa ini dapat terjadi di dalam otot dalam kondisi anaerob

Prosesnya sebagai berikut :

  1. Glukosa ——> asam piruvat (Glikolisis).

2. Dehidrogenasi asam piruvat akan terbentuk asam laktat/Asam susu.

2C2H3OCOOH+2NADH———————> 2 C2H5OCOOH+2NAD

Energi yang terbentuk dari glikolisis hingga terbentuk asam laktat:

8 ATP – 2 NADH2 = 8 – 2(3 ATP) = 2 ATP.

  • Fermentasi Alkohol

Dalam fermentasi alkohol, satu molekul glukosa hanya dapat menghasilkan 2 molekul ATP.

Reaksinya :

  1. Glukosa ——> asam piruvat (glikolisis)
  2. Dekarboksilasi asam piruvat.

Asam piruvat ———————> asetaldehid + CO2.

  1. Asetaldehid oleh alkohol dihidrogenase diubah menjadi alcohol

2CH3CHO + 2NADH2———————> 2C2H5OH + 2 NAD

C. ANABOLISME

Pada proses anabolisme digunakan energi yang terbentuk dari proses katabolisme.  Contoh anabolisme yaitu fotosintesis dan kemosintesis.

  1. Fotosintesis

Fotosintesis terdiri atas dua tahap reaksi, yaitu reaksi terang (memerlukan cahaya) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (tidak memerlukan cahaya).

  • Reaksi terang

Terjadi di dalam bagian kloroplas yang disebut grana tepatnya dalam tilakoid.Reaksi ini memerlukan bahan utama molekul air (H2O) dan sangat bergantung kepada ketersediaan energi dari foton/sinar matahari. Reaksi ini melibatkan beberapa kompleks protein dari membran tilakoid berupa pigmen yang terdiri dari sistem cahaya yang disebut fotosistem.

Fotosistem ini ada 2 macam yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Fotosistem  I mampu menangkap dengan baik foton dengan panjang gelombang 700 nm yang kemudian disebut P700. Energi matahari (foton) yang ditangkap oleh pigmen dipindahkan melalui beberapa molekul pigmen, yang akhirnya diterima oleh P700. Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm, yang kemudian dikenal dengan P 680.

Fotosintesis diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen foto-sintetik klorofil sebagai antena/akseptor cahaya yang berdampak pada lepasnya elektron berenergi tinggi dari klorofil a, untuk selanjutnya disalurkan dan ditangkap oleh akseptor elektron.

Selama reaksi terang terjadi sintesis ATP dan NADPH akibat eksitasi elektron (ion H+) dalam kloroplas yang disebut fosforilasi. Ada 2 macam fosforilasi yaitu fosforilasi siklik dan fosforilasi nonsiklik.

Fotofosforilasi Siklik

Reaksi fotofosforilasi siklik adalah reaksi yang hanya melibatkan satu fotosistem, yaitu fotosistem I yang bisa menangkap foton 700 nm (P 700). Dalam fotofosforilasi siklik, pergerakan elektron dimulai dari fotosistem I dan berakhir di fotosistem I , namun ada elektron yang terlontar mendukung fotosistem II. Fotofosforilasi siklik ini hanya menghasilkan ATP.

Fotofosforilasi Nonsiklik

Reaksi fotofosforilasi nonsiklik adalah reaksi dua tahap yang melibatkan dua fotosistem klorofil yang berbeda, yaitu fotosistem I dan II. Dalam fotofosforilasi nonsiklik, pergerakan elektron dimulai di fotosistem II, tetapi elektron tidak kembali lagi ke fotosistem II. Mula-mula, terjadi fotolisis yaitu molekul air diurai menjadi 2H+ + 1/2O2 + 2e oleh energi cahaya. O2 yang terbentuk akan dilepaskan ke udara bebas, sedangkan dua elektron tersebut mengeluarkan energi untuk reaksi sintesis ATP dan NADPH2. NADPH, sebagai hasil reaksi diatas, akan digunakan dalam reaksi Calvin-Benson atau reaksi gelap.

Simak video berikut untuk lebih memahami materi tentang reaksi terang!

  • Reaksi Gelap (Siklus Calvin-Benson)

Terjadi di stroma yang akan menghasilkan gula. Tahapan reaksi siklus Calvin adalah karboksilasi, reduksi dan regenerasi.

1) Karboksilasi (Fiksasi), yaitu proses pengikatan (fiksasi) CO2 oleh senyawa ribulosa bifosfat (RuBP),  menjadi 2 senyawa phospoglicerat Acid (PGA). PGA ini kemudian mengalami fosforilasi menjadi  Diphospoglycerate Acid (DPGA) dengan sumber fosfatnya dari ATP. Tahap ini dikatalisis oleh enzim rubisko.

2) Reduksi, DPGA masuk ke dalam fase reduksi, dimana senyawa ini direduksi oleh H+ dari NADPH, yang kemudian berubah menjadi NADP+, dan terbentuklah 12 molekul  Phosphogliceraldehyde (PGAL)  dimana 2 molekul PGAL digunakan untuk mensintesis 1 molekul glukosa dan 10 molekul PGAL masuk ke dalam tahap regenerasi.

3) Regenerasi, disebut demikian karena terjadi pembentukan kembali senyawa ribulosa bifosfat (RuBP) yang akandigunakan untuk mengikat CO2.

Jadi untuk membentuk 1 molekul glukosa maka dibutuhkan sebanyak 6 kali siklus (siklus Calvin) dengan menangkap sebanyak 6 molekul 6CO2.

Yuk, simak video pembelajaran tentang reaksi gelap berikut!

2. Kemosintesis

Beberapa macam bakteri yang tidak mempunyai klorofil dapat mengadakan asimilasi C dengan menggunakan energi yang berasal dan reaksi-reaksi kimia, misalnya bakteri sulfur, bakteri nitrat, bakteri nitrit, bakteri besi dan lain-lain. Bakteri-bakteri tersebut memperoleh energi dari hasil oksidasi senyawa-senyawa tertentu.

Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara oksidasi Fe2+ (ferro) menjadi Fe3+ (ferri). Bakteri Nitrosomonas dan Nitrosococcus memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH3, tepatnya Amonium Karbonat menjadi asam nitrit dengan reaksi:

(NH4)2CO3+ 3O2—————————>2HNO2 + CO2 + 3H20 + E

C. KETERKAITAN ANTARA METABOLISME KARBOHIDRAT, PROTEIN DAN LEMAK

Kalian telah mempelajari bahwa glukosa menjadi bahan bakar untuk respirasi selular. Tetapi, bentuk molekul glukosa bebas tidak umum dalam diet kita. Kita memperoleh sebagian besar energi dari molekul lemak, protein, sukrosa dan gula disakarida lainnya serta serat (polisakarida). Kalian dapat mengkonsumsi seluruh tipe molekul tersebut dari makanan yang kalian makan, misalnya saat kalian  memakan sekantong kacang kulit.


Gambar 2.5 Hubungan katabolisme karbohidrat, lemak, dan protein

Dalam Gambar 2.5, diilustrasikan bagaimana sel-sel menggunakan ketiga jenis molekul makanan untuk memproduksi ATP. Bermacam-macam jenis karbohidrat, baik polisakarida ataupun gula, disalurkan oleh sel ke dalam glikolisis. Agar dapat masuk ke dalam glikolisis, karbohidrat tersebut harus diubah dahulu menjadi molekul penyusunnya, yaitu glukosa, melalui proses hidrolisis yang dibantu oleh enzim-enzim dalam saluran pencernaan. Hal yang sama berlaku pula untuk glikogen yang merupakan polisakarida yang tersimpan di dalam hati dan se-sel otot.

 Katabolisme Lemak

Lemak terdapat di dalam plasma sel. Selain karbohidrat, lemak juga merupakan sumber substrat penting di dalam respirasi.  Lemak terbentuk karena penggabungan suatu asam lemak dengan gliserol.  Asam lemak didapat dari karbohidrat. Molekul-molekul lemak tidak dapat diedarkan dari sel-sel karena molekul-molekul besar tersebut tidak dapat menembus dinding sel.

Jadi, penyusunan dan pembongkaran lemak berlangsung di dalam sel-sel itu sendiri. Maka untuk dapat didistribusikan ke mana-mana, molekul lemak dibongkar menjadi gula dahulu untuk selanjutnya dipergunakan sebagai substrat di dalam respirasi.

Lemak menghasilkan bahan bakar seluler sempurna karena zat makanan tersebut mengandung banyak atom hidrogen dan elektron-elektron kaya energi. Garis panah bergaris coklat dalam Gambar 2.5, menunjukkan proses pembongkaran lemak. Sel memulai proses pembongkaran lemak dengan menghidrolisis lemak menjadi gliserol dan asam lemak. Kemudian, gliserol harus diubah menjadi dihidroksiaseton fosfat dan dihidroksiaseton fosfat diubah menjadi fosfogliseraldehida (G3P).

Fosfogliseraldehida merupakan zat antara (intermediat) yang kemudian masuk ke siklus Krebs sebagai asetil KoA. Melalui jalur tersebut, 1 gram lemak menghasilkan ATP dua kali lebih banyak daripada 1 gram karbohidrat. Sementara itu asam lemak mengalami proses oksidasi β menjadi asam aseto asetat yang masuk ke siklus Krebs melalui asetil koenzim A.

Katabolisme Protein

Protein merupakan bagian penting di dalam plasma suatu sel. Molekul protein terdiri atas asam-asam amino. Dalam Gambar 2.5, tampak proses pembongkaran protein (tanda panah ungu). Protein yang digunakan sebagai bahan bakar juga harus dicerna dahulu menjadi molekul penyusunnya, yaitu asam amino. Selanjutnya, asam-asam amino tersebut mengalami deaminasi (menghilangkan gugus amino (NH3)-nya) sehingga terbentuk asam amino glikogenik yang akan masuk proses glikolisis dan asam amino ketogenik yang akan masuk ke dalam siklus Krebs.

Anabolisme Karbohidrat, Lemak, dan Protein.

Pada makanan tersedia bahan mentah bagi sel-sel untuk anabolisme yang akan digunakan untuk mensintesis makromolekul dari mikromolekul organik untuk pertumbuhan dan perbaikan tubuh.

Sebagian bahan mentah dari makanan, seperti asam amino, dapat bergabung secara langsung menjadi molekul-molekul organik. Pada asam amino yang menyusun protein, atom C dan H lebih banyak daripada atom-atom lain. Atom C, H, dan O menyusun 85% berat asam amino. Oleh karena itu, untuk menyusun asam amino memerlukan karbohidrat. Jadi, penyusunan protein hanya mungkin didapat jika ada fotosintesis. Untuk biosintesis dapat menggunakan sebagian senyawa intermediat dari glikolisis dan siklus Krebs.


Gambar 2.6 Hubungan anabolisme karbohidrat, lemak, dan protein

Pada Gambar 2.6, tampak bahwa garis besar jalur biosintesis sel yang menghasilkan tiga kelompok makromolekul, dimulai dengan sebagian mikromolekul  organik hasil glikolisis dan siklus Krebs.