Metabolisme Mahluk Hidup

METABOLISME MAHLUK HIDUP

OLEH:

Juli  Yanti  Panjaitan

8106142010

PROGRAM STUDI MAGISTER PENDIDIKAN KIMIA

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

2011

METABOLISME MAHLUK HIDUP

Metabolisme

Metabolisme (bahasa Yunani: μεταβολισμος, metabolismos, perubahan) adalah semua reaksi kimia yang terjadi di dalam organisme, termasuk yang terjadi di tingkat selular.

Secara umum, metabolisme memiliki dua arah lintasan reaksi kimia organik,

• katabolisme, yaitu reaksi yang mengurai molekul senyawa organik untuk mendapatkan energi
• anabolisme, yaitu reaksi yang merangkai senyawa organik dari molekul-molekul tertentu, untuk diserap oleh sel tubuh.

Kedua arah lintasan metabolisme diperlukan setiap organisme untuk dapat bertahan hidup. Arah lintasan metabolisme ditentukan oleh suatu senyawa yang disebut sebagai hormon, dan dipercepat (dikatalisis) oleh enzim. Pada senyawa organik, penentu arah reaksi kimia disebut promoter dan penentu percepatan reaksi kimia disebut katalis.

Pada setiap arah metabolisme, reaksi kimiawi melibatkan sejumlah substrat yang bereaksi dengan dikatalisis enzim pada jenjang-jenjang reaksi guna menghasilkan senyawa intermediat, yang merupakan substrat pada jenjang reaksi berikutnya. Keseluruhan pereaksi kimia yang terlibat pada suatu jenjang reaksi disebut metabolom. Semua ini dipelajari pada suatu cabang ilmu biologi yang disebut metabolomika.

Zat-zat yang masuk dalam tubuh makhluk hidup dapat dalam bentuk organik maupun anorganik. Pertukaran zat meliputi anabolisme (penyusunan senyawa-senyawa organik dari senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks dengan menggunakan energi) dan katabolisme (penguraian senyawa-senyawa organik yang kompleks menjadi sederhana dengan menghasilkan energi yang digunakan oleh makhluk hidup untuk berbagai kegiatan).

Makhluk hidup memerlukan materi dan energi untuk pertumbuhannya. Berdasarkan cara mendapatkan materi dan energi, setiap makhluk hidup dibedakan menjadi 4 kelompok, yaitu: fotoautotrof, kemoautotrof, fotoheterotrof, dan kemoheterotrof. Makhluk hidup autotrof dapat mensintesis makanannya sendiri. Berdasarkan cara hidupnya, makhluk hidup heterotrof dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu: saprofit dan simbion (helotisme = parasitisme, mutualisme, dan komensalisme).

Zat-zat penyusun tubuh tumbuhan diperoleh dengan analisis kimia, kultur air, kultur pasir dan analisis abu yang menghasilkan unsur hara makro, unsur hara mikro dan unsur tambahan. Kekurangan unsur-unsur hara tersebut akan menyebabkan gejala-gejala klinis tanaman seperti tanaman menjadi kuning, kekeringan, layu sampai mengalami kematian.

Tumbuhan juga melakukan katabolisme (respirasi) dan anabolisme (fotosintesis dan kemosintesis). Katabolisme adalah reaksi penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan enzim. Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi internal dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dengan tiga tahap yaitu glikolisis, siklus Krebs, dan transpor elektron serta respirasi anaerobik (tidak membutuhkan oksigen) yang menghasilkan fermentasi alkohol, asam laktat, atau asam sitrat.

Katabolisme (Respirasi)

Katabolisme adalah reaksi penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan enzim. Penguraian suatu senyawa dapat menghasilkan energi. Energi kimia yang terdapat dalam senyawa tidak dapat digunakan secara langsung oleh sel. Energi akan diubah terlebih dahulu menjadi adenosin trifosfat (ATP) yang dapat digunakan oleh sel sebagai sumber energi terpakai. Energi itu digunakan untuk melangsungkan reaksi-reaksi kimia, pertumbuhan, transportasi, reproduksi, dan merespons rangsangan.

Contoh katabolisme adalah proses pernafasan sel atau respirasi. Respirasi adalah proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energi. Respirasi dilakukan oleh semua sel penyusun makhluk hidup, baik sel-sel tumbuhan, bakteri, protista, cendawan, maupun sel hewan dan manusia. Respirasi dilakukan baik siang maupun malam. Ditinjau dari bentuknya respirasi terbagi dua macam, yaitu respirasi eksternal (luar) dan internal (dalam). Respirasi eksternal meliputi proses pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida dan uap air antara makhluk hidup dengan lingkungannya, misalnya pada tumbuhan, hewan, dan manusia. Respirasi internal disebut juga pernafasan seluler karena pernafasan ini terjadi di dalam sel, yaitu di dalam sitoplasma dan mitokondria.

Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi internal dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dan respirasi anaerobik (tidak membutuhkan  oksigen). makhluk hidup, baik sel-sel tumbuhan, bakteri, protista, cendawan, maupun sel hewan dan manusia. Respirasi dilakukan baik siang maupun malam. Ditinjau dari bentuknya respirasi terbagi dua macam, yaitu respirasi eksternal (luar) dan internal (dalam). Respirasi eksternal meliputi proses pengambilan oksigen dan pengeluaran karbondioksida dan uap air antara makhluk hidup dengan lingkungannya, misalnya pada tumbuhan, hewan, dan manusia. Respirasi internal disebut juga pernafasan seluler karena pernafasan ini terjadi di dalam sel, yaitu di dalam sitoplasma dan mitokondria.

Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi internal dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dan respirasi anaerobik (tidak membutuhkan oksigen).

1.Respirasi Aerob
Respirasi aerob merupakan serangkaian reaksi enzimatis yang mengubah glukosa secara sempurna menjadi CO2, H2O, dan menghasilkan energi sebesar 38 ATP. Pada pernapasan ini, pembebasan energi menggunakan oksigen bebas dari udara. Pada tumbuhan, oksigen yang dibutuhkan diperoleh dari udara melalui mulut daun dan lentisel. Zat organik terutama karbohidrat dipecahkan. Dalam respirasi aerob, glukosa dioksidasi oleh oksigen, dan reaksi kimianya dapat digambarkan sebagai berikut:

                                           mthri
C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂ —-> 6 CO₂ + 12 H₂O + 675 kal
                                           klorofil

Dalam kenyataan, reaksi yang terjadi tidak sesederhana itu. Banyak tahapan reaksi yang terjadi dari awal hingga terbentuknya energi. Reaksi-reaksi itu dapat dibedakan menjadi tiga tahapan, yaitu: glikolisis, siklus Krebs, dan transpor elektron (lihat Gambar3.1)

Gambar 1. Respirasi aerob (Campbell, 2006).

1.1. Glikolisis
Glikolisis adalah serangkaian reaksi enzimatis yang memecah glukosa (terdiri dari 6 atom C) menjadi asam piruvat (terdiri dari 3 atom C). Reaksi ini melepaskan energi untuk menghasilkan ATP dan NADH2. Glikolisis terjadi di sitoplasma dan tidak memerlukan oksigen. Reaksinya adalah sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆ —-> 2 asam piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2H⁺

Asam piruvat yang dihasilkan akan memasuki mitokondria untuk melakukan siklus Krebs. Namun sebelum memasuki siklus Krebs, asam piruvat (3C) ini diubah terlebih dahulu menjadi asetil koA (2C) di dalam matriks mitokondria melalui proses dekarboksilasi oksidatif. Senyawa selain glukosa, misalnya fruktosa, manosa, galaktosa, dan lemak dapat pula mengalami metabolisme melalui jalur glikolisis dengan bantuan enzim-enzim tertentu.

1.2. Siklus Krebs
Siklus Krebs merupakan serangkaian reaksi metabolisme yang mengubah asetil koA yang direaksikan dengan asam oksaloasetat (4C) menjadi asam sitrat (6C). Selanjutnya asam oksaloasetat memasuki daur menjadi berbagai macam zat yang akhirnya akan membentuk oksaloasetat lagi.

Pada siklus Krebs dihasilkan energi dalam bentuk ATP dan molekul pembawa hidrogen, yaitu : NADH dan FADH2. Hidrogen yang terdapat dalam NADH dan FADH2 tersebut akan dibawa ke sistem transpor elektron. Seluruh tahapan reaksi dalam siklus Krebs terjadi di dalam mitokondria. Dalam siklus ini, asetil koA dioksidasi secara sempurna menjadi CO₂

1.3. Transpor Elektron
Transpor elektron adalah serangkaian reaksi pemindahan elektron melalui proses reaksi redoks (reduksi-oksidasi). Hidrogen yang terdapat pada molekul NADH serta FADH2 ditranspor dalam serangkaian reaksi redoks yang melibatkan enzim, sitokrom, quinon, pirodoksin, dan flavoprotein. Pada akhir transport elektron, oksigen akan mengoksidasi elektron dan ion H menghasilkan air (H₂O). Transport elektron terjadi pada membran dalam mitokondria.

2. Respirasi anaerob
Pernahkah kalian membuat atau melihat cara membuat tape ? Tape dibuat dari singkong yang dikukus lalu ditaburi dengan ragi. Jika setelah diberi ragi singkong tersebut dibiarkan dalam udara terbuka maka kalian tidak mendapatkan tape yang diinginkan, mengapa demikian ?Pembuatan tape merupakan salah satu contoh proses fermentasi yang menghasilkan alkohol. Fermentasi alkohol merupakan proses respirasi anaerob, yang tidak memerlukan oksigen. Oleh karena itu jika membuat tape, singkong yang telah ditaburi dengan ragi tersebut disimpan dalam ruang tertutup yang tidak atau sedikit mengandung udara. Misalnya setelah singkong beragi tersebut ditaruh dalam panci, kemudian panci tersebut dibungkus rapat dengan kain agar kondisinya menjadi anaerob.

Respirasi anaerob merupakan serangkaian reaksi enzimatis yang memecah glukosa secara tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Pada manusia, respirasi anaerob menghasilkan asam laktat sehingga menyebabkan rasa lelah, sedangkan pada tumbuhan, ragi, reaksi ini menghasilkan CO₂ dan alkohol. Respirasi anaerob hanya menghasilkan sedikit energi, yaitu  2 ATP.

Respirasi anaerob, disebut fermentasi atau peragian. Pada umumnya respirasi ini terjadi pada tumbuhan, fungi dan bakteri. Proses fermentasi sering disebut sesuai dengan hasil akhir yang terbentuk. Misalnya: fermentasi alkohol bila hasil akhir fermentasiberupa alkohol. Menurut hasil samping yang terbentuk, maka fermentasi dibedakan atas:

a. fermentasi alkohol pada ragi (khamir) dan bakteri anaerobik.
b. fermentasi asam laktat pada umumnya di sel otot.
c. fermentasi asam sitrat pada bakteri heterotrof.

Bahan baku respirasi anaerobik pada peragian adalah glukosa, disamping itu juga terdapat fruktosa, galaktosa, dan manosa. Hasil akhirnya adalah alkohol, karbon dioksida, dan energi. Alkohol bersifat racun bagi sel-sel ragi. Sel-sel ragi hanya tahan terhadap alkohol pada kadar 9-18%. Lebih tinggi dari kadar tersebut, proses alkoholisasi (pembuatan alkohol) terhenti. Hal tersebut merupakan suatu kendala pada industri pembuatan alkohol.

Oleh karena glukosa tidak terurai lengkap menjadi air dan karbon dioksida, maka energi yang dihasilkan lebih kecil dibandingk an respirasi aerobik. Pada respirasi aerobik dihasilkan 675kal, sedangkan pada respirasi anaerobik hanya dihasilkan 21 kal. seperti reaksi dibawah ini:

C₆H₁₂O₆ —–> 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 21 kal

Dari persamaan reaksi tersebut terlihat bahwa oksigen tidak diperlukan. Bahkan, bakteri anaerobik seperti Clostridium tetani (penyebab tetanus) tidak dapat hidup jika berhubungan dengan udara bebas. Infeksi tetanus dapat terjadi jika luka dalam atau tertutup sehingga memberi kemungkinan bakteri Clostridium tersebut tumbuh subur karena dalam lingkungan anaerob.

                       Tabel Jumlah ATP yang dihasilkan selama respirasi sel :

Proses	Jenis ekseptor	Jumlah ATP yang dihasilkan
Glikolisis Glukosa--> 2 asam piruvat	2 NADH	2 ATP
Reaksi antara 2 asam piruvat-->2 asetil KoA + 2 CO2	2 NADH
Siklus Krebs 2 asetil KoA--> 4 CO2	6 NADH 2 FADH2	2 ATP
Transfer elektron 10 NADH + 5 O2 -->10 NAD + H O 2 FADH + O2 -->2 FAD + 2 H2O		30 ATP 4 ATP

Pada proses glikolisis digunakan 2 molekul ATP sehingga hasil bersih  ATP = 38-2 = 36.

Anabolisme (Fotosintesis)

Lingkungan fisik menyediakan nutrien-nutrien anorganik. Semua zat anorganik yang diambil makhluk hidup akan dikembalikan lagi pada lingkungannya. Ada yang dikembalikan dalam bentuk ekskret yang dihasilkan oleh makhluk hidup waktu bereksresi, dan sisa-sisa makhluk hidup akan diuraikan (dekomposisi = demineralisasi) oleh makhluk pengurai (dekomposer) seperti cendawan dan bakteri kembali menjadi zat-zat anorganik.

Fotosintesis adalah peristiwa penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbon dioksida) dengan pertolongan energi cahaya. Fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan dan makhluk hidup yang mempunyai klorofil. Komponen-komponen yang diperlukan dalam fotosintesis adalah: CO₂, H₂O, cahaya dan klorofil. Karbon dioksida diambil dari udara, H₂O diambil dari tanah. Peranan klorofil dalam fotosintesis adalah untuk menyerap cahaya dan sumber elektron. Cahaya yang paling efektif digunakan untuk mendapatkan hasil fotosintesis yang maksimum adalah cahaya merah dan biru. Proses pembentukan karbohidrat ini berlangsung secara bertingkat. Zat yang stabil yang mula-mula terbentuk adalah gula sederhana. Kelebihan molekul-molekul gula sederhana akan disimpan dalam bentuk zat tepung (pati). melalui proses biosintesis dengan melepaskan nH₂O. Untuk pembentukan        1 gram gula ternyata sama dengan jumlah energi yang diperlukan dalam pembakaran 1 gram gula yaitu 675 kilo kalori. Inilah jumlah energi yang diperlukan dalam fotosintesis.

Menurut percobaan setiap 1 m2 luas daun/jam dapat menyerap ± 200 kilo kalori, sementara di dalam daun dapat terbentuk 1-2 gram gula. Jadi dapat dihitung bahwa energi yang jatuh pada daun hanya 2% yang digunakan untuk fotosintesis. Hasil lain fotosintesis, O₂ dibebaskan ke udara dan ini berasal dari H₂O. Ini dapat diketahui berdasarkan uji menggunakan isotop oksigen yang dilakukan oleh Ruben dan Van Niel. Bagian tubuh tumbuhan yang melakukan asimilasi C (karbon) adalah bagian yang mengandung zat hijau daun.

Secara singkat, persamaan reaksi fotosintesis yang terjadi di alam dituliskan sebagai berikut:

                  cahaya matahari
6CO₂+12H­₂O  ———>  C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
                         klorofil

Percobaan tentang Fotosintesis

Fotosintesis merupakan suatu proses yang penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi. Dengan fotosintesis, tumbuhan menyediakan makanan bagi makhluk hidup lain baik secara langsung maupun tidak langsung. Banyak ilmuwan yang melakukan penelitian tetang fotosintesis, diantaranya adalah:

1.  Ingenhousz
Orang yang peatama sekali menemukan fotosintesis adalah Jan Ingenhousz (1730-1799). Beliau memasukkan tumbuhan air Hydrila verticilata ke dalam bejana yang diisi air. Bejana gelas itu ditutup dengan corong terbalik dan diatasnya diberi tabung reaksi yang berisi air hingga penuh. Bejana itu diletakkan di terik matahari. Tak lama kemudian muncul gelembung udara dari tumbuhan air. Setelah diuji, ternyata gelembung tersebut adalah oksigen. Ingenhousz menyimpulkan fotosintesisis menghasilkan oksigen.

2. T W Engelman
Pada tahun 1822, T W Engelmann melakuakn percobaan menggunakan gangang Spyrogyra. Ganggang ini mempunyai kloroplas seperti spiral. Hanya kloroplas yang terkena cahaya yang mengeluarkan oksigen. Kloroplas yang tidak kena cahaya tidak mengeluarkan oksigen. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya bakteri
suka oksigen yang berkerumun di bagian kloroplas yang terkena cahaya. Kesimpulan akhirnya adalah:
a. Fotosintesis dilakukan oleh kloroplas
b. kloroplas hanya berfotosintesis jika terkena cahaya

3. Sachs
Pada tahun 1860, Sachs membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum. Daun yang sebagian dibungkus kertas timah (kertas bungkus rokok) dipetik di sore hari, setelah terkena matahari sejak pagi hari, daun tersebut direbus untuk dimatikan sel-selnya. Selanjutnya daun tersebut dimasukkan ke dalam alkohol, agar klorofilnya larut sehingga daun tersebut menjadi pucat. Saat daun itu ditetesi dengan iodium, bagian yang tertutup oleh ketas timah tetap pucat, sedangkan bagian daun yang tidak tertutup warnanya menjadi biru kehitaman. Warna biru kehitaman menandakan bahwa di bagian daun tersebut terdapat amilum.

4. Hill dan FF Blackman

Hill pada tahun 1937 berhasil membuktikan bahwa energi sinar yang diterima digunakan untuk memecah molekul air menjadi H+ dan O2. Peristiwa ini dikenal sebagai fotolisis yang merupakan tahap awal dari fotosintesis. Fotolisis berlangsung dengan bantuan cahaya matahari sehingga disebut reaksi terang (lihat Gambar 3.3) Pada reaksi terang, molekul air (H₂O) terurai menjadi molekul oksigen (O₂), proton (H⁺) dan elektron. Elektron tersebut akan mengalami transport elektron melalui reaksi redoks. Pada akhir transport elektron elektron tersebut bersama dengan H+ akan ditangkap oleh NADP+ sehingga terbentuk NADPH. Selain NADPH, reaksi terang juga menghasilkan ATP.

Persamaan reaksi terang adalah sebagai berikut:
12 H₂O + ATP + 24 NADP+ —–> 6 O₂ + ATP + 24 NADPH

Gambar 2. Fotosintesis: Reaksi terang & Reaksi gelap.

Reaksi terang terjadi pada membran tilakoid di grana. Grana berupa tumpukan tilakoid, terdapat di dalam kloroplas,. Tilakoid adalah membran pipih berbentuk cakram yang membrannya mengandung klorofil, pigmen fotosntesis. Blackman mengemukakan adanya reaksi gelap yang terjadi di stroma, merupakan matriks kloroplas tak berwarna yang mengandung grana. Reaksi gelap tidak memerlukan cahaya. Dalam reaksi gelap, ATP dan NADPH yang terbentuk pada reaksi terang digunakan untuk pembentukan glukosa dari karbon dioksida (lihat Gambar 3.2).

Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
6 O₂ + ATP + NADPH —-> (CH₂O)6 + 6 H₂O

Jika reaksi terang dan reaksi gelap tersebut digabungkan akan menghasilkan persamaan reaksi sebagai berikut:
6 O₂ + 12 H₂O + energi —-> C₆H₁₂O₆  + 6 H₂O  + 6 O₂

Jadi, reaksi gelap hanya berlangsung jika tersedia energi kimia (ATP dan NADPH) serta proton (H+) yang dihasilkan oleh reaksi terang. Tanpa didahului reaksi terang, reaksi gelap tidak akan berlangsung.

Proses pembentukan karbohidrat terutama glukosa dilakukan melalui beberapa langkah. Di dalam stroma terdapat senyawa ribulosa bifosfat, suatu senyawa dengan 5 atom C. ribulosa bifosfat mengikat CO2 sehingga terbentuk senyawa 6C, tetapi tidak stabil sehingga terpecah menjadi 2 molekul masing-masing dengan 3 atom (asam fosfogliserat). Asam fosfogliserat diubah nenjadi gliseraldehid. Gliseraldehid mengikat fosfat membentuk gliseraldehid 3 fosfat, yang kemudian diubah menjadi dihidroksi aseton fosfat. Senyawa ini berikatan dengan gliseraldehid 3 fosfat membentuk fruktosa 1.6 difosfat, kemudian akhirnya akan membentuk glukosa. Sebagian dari gula triosa fosfat diubah kembali menjadi ribulose difosfat sehingga membentuk siklus yang dinamakan siklus Calvin (untuk menghargai penemunya, yaitu Melvin Calvin)

Pada peristiwa anabolisme terjadi suatu siklus yang memperlihatkan hubungan antara lingkungan abiotik dengan dunia kehidupan, seperti: daur nitrogen, daur karbon dan oksigen, daur air, daur belerang dan daur fosfor.

Katalisator adalah zat yang dapat mempercepat reaksi tetapi zat tersebut tidak ikut bereaksi. Enzim merupakan biokatalisator yang mempercepat proses metabolisme pada tumbuhan dan hewan. Secara kimia, enzim yang lengkap (holoenzim) tersusun atas dua bagian, yaitu bagian protein dan bagian yang bukan protein.

Ciri-ciri enzim merupakan protein, bekerja secara khusus, dapat digunakan berulang kali, rusak oleh panas, diperlukan dalam jumlah sedikit, dapat bekerja bolak-balik, kerja enzim dipengaruhi lingkungan (suhu, pH, hasil akhir, dan zat penghambat).Penamaan enzim sesuai dengan substratnya, misalnya enzim selulose adalah enzim yang dapat menguraikan selulosa. George Beadle dan Edward Tatum menemukan gen pengendali sintesis protein dan enzim yang dengan teori “one gene, one enzyme”.

Cara kerja enzim seperti teori gembok dan anak kunci (key-lock) dan teori cocok terinduksi (induced fit). Zat yang dapat menghambat kerja enzim disebut inhibitor, dibedakan dalam dua kelompok, yaitu: inhibitor kompetitif, inhibitor non kompetitif, dan inhibitor irreversibel