BAB: ENZIM DAN MEKANISME KERJA ENZIM
ENZIM DAN MEKANISME KERJA ENZIM
1. Definisi dan Komponen Enzim
- Definisi: Enzim adalah senyawa organik protein yang berfungsi sebagai biokatalisator. Artinya, enzim dapat mempercepat laju reaksi kimia di dalam tubuh makhluk hidup (metabolisme) tanpa ikut bereaksi atau habis dikonsumsi dalam reaksi tersebut.
- Komponen Penyusun Enzim (Holoenzim): Holoenzim adalah enzim yang strukturnya lengkap dan aktif secara katalitik. Holoenzim tersusun atas dua komponen utama:
- Apoenzim: Bagian utama enzim yang tersusun atas protein.
- Bersifat labil atau tidak tahan panas (termolabil).
- Memiliki sisi aktif tempat melekatnya substrat.
- Kofaktor (Gugus Prostetik):
- Bagian enzim yang tersusun atas komponen non-protein.
- Bersifat tahan panas (termostabil).
- Berfungsi mengaktifkan fungsi katalitik apoenzim.
- Dibedakan menjadi:
- Koenzim: Berupa senyawa organik non-protein yang berikatan non-kovalen/lemah dengan apoenzim. Contoh: Vitamin (NAD+, FAD, Koenzim A), NADH.
- Gugus Prostetik Geometris/Kovalen: Berupa senyawa organik yang terikat kuat secara kovalen pada apoenzim. Contoh: FAD, Heme (pada hemoglobin dan sitokrom).
- Aktivator (Ion Logam): Berupa senyawa anorganik (ion-ion logam) yang membantu ikatan antara enzim dan substrat. Contoh: Mg2+.
- Apoenzim: Bagian utama enzim yang tersusun atas protein.
2. Sifat-Sifat Enzim
- Sebagai Biokatalisator: Mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi (energi minimum yang diperlukan untuk memulai suatu reaksi kimia).
- Bekerja Secara Spesifik (Spesifisitas): Satu jenis enzim hanya dapat mengatalisis satu jenis reaksi atau satu jenis substrat saja (one enzyme, one substrate). Contoh: Enzim amilase hanya memecah amilum, tidak bisa memecah protein.
- Berupa Protein: Karena sebagian besar komponennya protein, enzim mengikuti sifat-sifat protein (dapat mengalami denaturasi atau kerusakan struktur pada suhu tinggi atau pH ekstrem).
- Bekerja Secara Reversibel (Bolak-balik): Enzim tidak menentukan arah reaksi, melainkan hanya mempercepat tercapainya keseimbangan reaksi. Enzim dapat menyusun senyawa (anabolisme) maupun membongkar senyawa (katabolisme). Contoh: Enzim lipase dapat merombak lemak menjadi asam lemak dan gliserol, atau sebaliknya.
- Tidak Ikut Bereaksi: Enzim hanya melepaskan diri setelah reaksi selesai dan strukturnya kembali ke bentuk semula, sehingga dapat digunakan berulang kali (reusable).
- Dibutuhkan dalam Jumlah Sedikit: Karena dapat digunakan berulang kali, tubuh tidak memerlukan enzim dalam jumlah besar.
3. Mekanisme Kerja Enzim
- Enzim bekerja dengan cara mengikat substrat pada bagian khusus yang disebut sisi aktif (active site) untuk membentuk Kompleks Enzim-Substrat.
- Setelah reaksi selesai, substrat diubah menjadi produk, dan enzim terlepas kembali.
- Teori Gembok dan Kunci (Lock and Key Theory)
- Tokoh Pencetus: Emil Fischer (1894).
- Prinsip Kerja: Sisi aktif enzim bersifat kaku (rigid) dan memiliki bentuk yang sangat spesifik yang persis berpasangan dengan bentuk substrat.
- Analogi: Enzim bertindak sebagai gembok dan substrat bertindak sebagai kunci. Hanya kunci dengan bentuk yang pas yang dapat membuka gembok tersebut.
- Teori Ketepatan Induksi (Induced Fit Theory)
- Tokoh Pencetus: Daniel Koshland (1958).
- Prinsip Kerja: Sisi aktif enzim bersifat fleksibel. Ketika substrat mendekat, sisi aktif enzim akan mengalami modifikasi atau menyesuaikan bentuknya secara mekanis agar dapat membungkus substrat dengan pas dan sempurna.
- Analogi: Seperti tangan yang masuk ke dalam sarung tangan rajut; sarung tangan akan meregang menyesuaikan bentuk tangan.
4. Faktor-Faktor yang Memengaruhi Aktivitas Enzim
- Laju reaksi enzimatis sangat bergantung pada kondisi lingkungan sekitar tempat enzim berada:
- Suhu (Temperatur)
- Setiap enzim memiliki suhu optimum (pada manusia umumnya sekitar $35-40^{\circ}C$) di mana laju reaksinya mencapai maksimum.
- Jika suhu terlalu rendah, enzim menjadi inaktif (tidak aktif tapi tidak rusak).
- Jika suhu terlalu tinggi (di atas $50^{\circ}C$), enzim akan mengalami denaturasi (kerusakan struktur protein secara permanen) sehingga tidak dapat mengikat substrat lagi.
- Derajat Keasaman (pH)
- Setiap enzim memiliki pH optimum spesifik. Perubahan pH ekstrem dapat merusak struktur tiga dimensi enzim (denaturasi).
- Contoh: Enzim pepsin (lambung) bekerja optimal pada pH asam (1-2), sedangkan enzim amilase (air liur) bekerja optimal pada pH netral (kira-kira 7).
- Konsentrasi Substrat
- Peningkatan konsentrasi substrat akan menaikkan laju reaksi secara proporsional.
- Namun, pada titik tertentu laju reaksi akan mendatar (mencapai titik saturasi/jenuh). Hal ini terjadi karena seluruh sisi aktif enzim sudah terikat penuh oleh substrat.
- Konsentrasi Enzim
- Semakin tinggi konsentrasi enzim, semakin cepat laju reaksi kimia berjalan (dengan asumsi jumlah substrat tidak terbatas), karena semakin banyak sisi aktif yang tersedia untuk mengolah substrat.
- Inhibitor (Zat Penghambat)
- Inhibitor adalah senyawa yang dapat menghambat kerja enzim.
- Dibedakan menjadi:
- Inhibitor Kompetitif:
- Molekul penghambat yang memiliki struktur mirip dengan substrat.
- Molekul ini bersaing langsung untuk memperebutkan sisi aktif enzim.
- Hambatan ini dapat diatasi dengan cara meningkatkan konsentrasi substrat.
- Contoh: Gas CO berkompetisi dengan oksigen.
- Inhibitor Non-Kompetitif
- Molekul penghambat yang terikat pada bagian lain dari enzim (disebut sisi alosterik).
- Ikatan ini mengubah bentuk keseluruhan enzim termasuk sisi aktifnya, sehingga substrat tidak dapat menempel lagi.
- Hambatan ini tidak bisa diatasi dengan penambahan substrat.
- Contoh: Sianida, merkuri, dan timbal.
- Inhibitor Kompetitif:
BAB: RESPIRASI SELULER
RESPIRASI SELULER : KATABOLISME KARBOHIDRAT
1. Pengantar Katabolisme Karbohidrat
- Definisi Katabolisme: Proses penguraian atau pemecahan senyawa organik kompleks (makromolekul) menjadi senyawa anorganik yang lebih sederhana dengan melepaskan energi kimia (reaksi eksergonik).
- Respirasi Sel: Bentuk katabolisme karbohidrat yang utama di dalam sel. Proses ini memecah glukosa ($C_{6}H_{12}O_{6}$) untuk memanen energi kimia yang kemudian disimpan dalam bentuk ATP (Adenosin Trifosfat), zat yang digunakan sel untuk beraktivitas.
- Jenis Respirasi Sel:
- a. Respirasi Aerob: Proses perombakan glukosa yang memerlukan oksigen bebas ($O_{2}$) sebagai akseptor (penerima) elektron terakhir.
- b. Respirasi Anaerob (Fermentasi): Proses perombakan glukosa yang tidak memerlukan oksigen, di mana akseptor elektron terakhirnya berupa senyawa organik.
2. Tahapan Respirasi Aerob
- Respirasi aerob berlangsung melalui empat tahapan berurutan secara biokimiawi untuk mengoksidasi satu molekul glukosa secara sempurna:
- Glikolisis
- Tempat Berlangsung: Sitoplasma (Sitosol).
- Sifat Proses: Anaerob (tidak memerlukan oksigen pada tahap spesifik ini).
- Mekanisme Singkat: Penguraian 1 molekul glukosa (beratom 6 karbon) menjadi 2 molekul asam piruvat (beratom 3 karbon).
- Berikut 10 tahapan glikolisis:
- Tahap 1 – Fosforilasi Glukosa: Membutuhkan 1 ATP
- Molekul glukosa menerima gugus fosfat dari ATP yang dipecah menjadi ADP.
- Reaksi ini dikatalisis olen enzim Heksokinase untuk menghasilkan Glukosa-6-fosfat.
- Tahap ini mengunci glukosa di dalam sel agar tidak keluar kembali melintasi membran.
- Tahap 2 – Isomerisasi Gula: Reaksi Reversibel
- Glukosa-6-fosfat diubah strukturnya (diisomerisasi) menjadi bentuk bangun isomernya, yaitu Fruktosa-6-fosfat.
- Proses penataan ulang molekul ini dibantu oleh enzim fosfoglukomutase.
- Tahap 3 – Fosforilasi Kedua: Membutuhkan 1 ATP
- Fruktosa-6-fosfat kembali menerima transfer gugus fosfat dari molekul ATP kedua yang diubah menjadi ADP.
- Reaksi ini dikatalisis oleh enzim fosfofruktokinase untuk menghasilkan Fruktosa-1,6-bifosfat.
- Tahap 4 – Pemecahan Gula: Pemisahan Karbon
- Molekul Fruktosa-1,6-bifosfat yang tidak stabil dipecah oleh enzim Aldolase menjadi dua buah molekul gula berkarbon 3 yang berbeda, yaitu Dihidroksiaseton fosfat (DHAP) dan Gliseraldehida 3-fosfat.
- Tahap 5-Isomerisasi Triosa Fosfat: Akhir Fase Investasi
- Molekul DHAP diubah bentuknya oleh enzim triosa fosfat isomerase menjadi molekul Gliseraldehida 3-fosfat.
- Dari titik ini, sel sekarang memiliki 2 molekul Gliseraldehida 3-fosfat, sehingga seluruh perhitungan produk di tahapan selanjutnya (tahap 6-10) akan dikalikan dua.
- Tahap 6 – Oksidasi & Pembentukan NADH: Mulai Fase Pemanenan
- Kedua molekul Gliseraldehida 3-fosfat dioksidasi dengan melepaskan elektron yang ditangkap oleh 2 NAD+ beserta fosfat anorganik (Pi).
- Menggunakan enzim Gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase, reaksi ini menghasilkan 2 NADH + 2 H+ serta senyawa 1,3-bifosfogliserat.
- Tahap 7 – Produksi ATP Pertama: Fosforilasi Tingkat Substrat
- Dua molekul 1,3-bifosfogliserat mentransfer gugus fosfat berenergi tingginya untuk mengubah 2 ADP menjadi 2 ATP.
- Enzim yang bekerja di sini adalah fosfogliserat kinase, dan menghasilkan senyawa 3-fosfogliserat.
- Tahap 8 – Pergeseran Fosfat: Perubahan Posisi
- Gugus fosfat pada kedua molekul 3-fosfogliserat dipindahkan posisinya dari atom karbon nomor 3 ke atom karbon nomor 2 oleh enzim fosfogliseromutase, menghasilkan 2-fosfogliserat.
- Tahap 9 – Dehidrasi / Pelepasan Air: Pembentukan Ikatan Energi Tinggi
- Enzim Enolase mengatalisis pelepasan molekul air (2 $H_{2}O$) dari masing-masing senyawa 2-fosfogliserat.
- Proses dehidrasi ini menciptakan ikatan berenergi tinggi baru, mengubahnya menjadi fosfoenolpiruvat (PEP).
- Tahap 10 – Produksi ATP Kedua & Hasil Akhir: Tahap Akhir Glikolisis
- Gugus fosfat terakhir pada kedua molekul fosfoenolpiruvat (PEP) ditransfer ke 2 ADP untuk memanen 2 ATP baru.
- Reaksi terakhir ini dikatalisis oleh enzim piruvat kinase, menyisakan produk akhir berupa 2 molekul Piruvat.
- Tahap 1 – Fosforilasi Glukosa: Membutuhkan 1 ATP
- Hasil Akhir (per 1 molekul glukosa):
- 2 Asam Piruvat (menuju tahap oksidasi piruvat atau dekarboksilasi oksidatif).
- 2 NADH (menuju tahap transpor elektron).
- 2 ATP (keuntungan bersih, diperoleh secara langsung melalui fosforilasi tingkat substrat), 2 ATP lainnya digunakan untuk mengganti ATP di tahap 1 dan 3.
- 2 $H_{2}O$ (keluar melalui sistem pernapasan).
- Dekarboksilasi Oksidatif (Reaksi Antara / Transisi)
- Tempat Berlangsung: Matriks Mitokondria.
- Mekanisme Singkat: Mengubah asam piruvat hasil glikolisis menjadi senyawa yang siap masuk ke siklus Krebs. Gugus karboksil dilepas dari asam piruvat menjadi $CO_{2}$, lalu sisa fragmen akan mentransfer elektron ke NAD+ menjadi NADH dan direaksikan dengan Koenzim A (KoA).
- Berikut tiga tahapan dekarboksilasi oksidatif:
- Tahap 1: Pelepasan Karbondioksida (Dekarboksilasi)
- Gugus karboksil yang diberi warna hijau pada molekul piruvat dilepaskan.
- Gugus ini dikeluarkan dari sel dalam bentuk molekul gas karbondioksida ($CO_{2}$).
- Peristiwa ini mengubah piruvat (senyawa 3 karbon) menjadi gugus asetil yang berkarbon 2.
- Tahap 2: Oksidasi dan Reduksi NAD+
- Fragmen berkarbon 2 (asetil) hasil tahap pertama mengalami oksidasi (melepaskan elektron).
- Elektron berenergi tinggi beserta ion hidrogen ini kemudian ditangkap oleh molekul NAD+.
- Akibatnya, NAD+ terreduksi menjadi NADH + H+ yang nantinya akan dibawa ke tahap transpor elektron untuk menghasilkan ATP.
- Tahap 3: Pembentukan Asetil KoA
- Senyawa antara berkarbon 2 yang telah dioksidasi (asetat) kemudian dilekatkan atau digabungkan dengan koenzim A (CoA).
- Penggabungan ini menghasilkan produk akhir berupa Asetil KoA.
- Tahap 1: Pelepasan Karbondioksida (Dekarboksilasi)
- Hasil Akhir (per 2 asam piruvat / 1 molekul glukosa):
- 2 Asetil Koenzim A (Asetil KoA) (menuju tahap siklus Krebs).
- 2 NADH (menuju tahap transpor elektron).
- 2 $CO_{2}$ (dilepaskan sebagai gas sisa respirasi).
- Siklus Krebs (Siklus Asam Sitrat)
- Tempat Berlangsung: Matriks Mitokondria.
- Mekanisme Singkat: Asetil KoA (2C) bergabung dengan asam oksaloasetat (4C) membentuk asam sitrat (6C). Melalui serangkaian reaksi siklik yang dikatalisis berbagai enzim, asam sitrat dirombak kembali menjadi asam oksaloasetat sambil memanen energi ke pembawa elektron.
- Berikut 8 tahapan dekarboksilasi oksidatif:
- Tahap 1: Kondensasi: Pembentukan Sitrat.
- Gugus berkarbon 2 dari asetil CoA bergabung dengan senyawa berkarbon 4 yaitu oksaloasetat dengan bantuan molekul air.
- Reaksi ini dikatalisis oleh enzim sitrat sintase untuk menghasilkan senyawa berkarbon 6 bernama sitrat, serta melepaskan kembali Koenzim A (CoA-SH).
- Tahap 2: Isomerisasi Bagian I (Dehidrasi menjadi cis-Akonitat)
- Molekul sitrat melepaskan satu molekul air untuk diubah menjadi senyawa antara bernama cis-akonitat.
- Reaksi ini dikatalisis oleh enzim Akonitase.
- Tahap 3: Isomerisasi Bagian II (Hidrasi menjadi Isositrat)
- Senyawa cis-akonitat kemudian berikatan kembali dengan molekul air pada posisi yang berbeda, mengubah strukturnya menjadi isositrat.
- Reaksi ini masih dikatalisis oleh enzim yang sama, yaitu Akonitase.
- Tahap 4: Oksidasi & Dekarboksilasi I (Pelepasan $CO_{2}$ & NADH Pertama)
- Senyawa isositrat dioksidasi oleh enzim isositrat dehidrogenase.
- Elektron yang dilepaskan ditangkap oleh NAD+ menjadi NADH + H+.
- Di saat yang sama, satu gugus karbon dilepaskan dalam bentuk gas $CO_{2}$, mengubah senyawa berkarbon 6 tersebut menjadi senyawa berkarbon 5, yaitu alfa-Ketoglutarat.
- Tahap 5: Oksidasi & Dekarboksilasi II (Pelepasan $CO_{2}$ & NADH Kedua)
- Senyawa alfa-Ketoglutarat kembali mengalami oksidasi dan pelepasan gas $CO_{2}$ oleh kompleks enzim alfa-Ketoglutarat dehidrogenase.
- Elektron yang lepas ditangkap oleh NAD+ menjadi NADH + H+.
- Senyawa sisa berkarbon 4 yang tidak stabil kemudian langsung berikatan dengan Koenzim A (CoA) membentuk Suksinil-CoA.
- Tahap 6: Pembentukan ATP/GTP (Fosforilasi Tingkat Substrat)
- Ikatan energi tinggi pada Suksinil-CoA dipecah oleh enzim Suksinil-CoA sintetase untuk melepaskan kembali gugus CoA.
- Energi dari pemutusan ini digunakan untuk menggabungkan ADP + Pi menjadi ATP (pada beberapa organisme berupa GDP + Pi → GTP).
- Senyawa yang tersisa adalah suksinat.
- Tahap 7: Oksidasi Suksinat (Pembentukan FADH2)
- Senyawa suksinat dioksidasi oleh enzim suksinat dehidrogenase.
- Kali ini, elektron berenergi tinggi yang dilepaskan ditangkap oleh molekul FAD untuk direduksi menjadi FADH2.
- Hasil dari reaksi ini adalah senyawa berkarbon 4 bernama Fumarat.
- Tahap 8: Hidrasi Fumarat (Penambahan Air)
- Molekul air ditambahkan ke dalam ikatan ganda senyawa Fumarat dengan bantuan enzim Fumarase.
- Proses hidrasi ini mengubah senyawa tersebut menjadi Malat.
- Tahap 9: Oksidasi Akhir & Regenerasi (Pembentukan NADH Ketiga)
- Tahap penutup siklus ini mengoksidasi Malat menggunakan enzim Malat dehidrogenase.
- Elektronnya ditangkap oleh NAD+ untuk menghasilkan molekul NADH + H+.
- Reaksi ini meregenerasi kembali oksaloasetat yang siap mengikat Acetil CoA baru untuk memulai putaran siklus berikutnya.
- Tahap 1: Kondensasi: Pembentukan Sitrat.
- Hasil Akhir (per 2 putaran siklus / 1 molekul glukosa):
- 2 ATP/2 GTP (energi langsung).
- 6 NADH (menuju tahap transpor elektron).
- 2 FADH2 (menuju tahap transpor elektron).
- 4 $CO_{2}$ (dilepaskan sebagai gas sisa respirasi).
- Fosforilasi Oksidatif
- Tempat Berlangsung: Krista Mitokondria (Membran Dalam Mitokondria).
- Mekanisme Singkat: Tahap pemanenan energi terbesar. Elektron berenergi tinggi dari NADH dan $FADH_{2}$ dialirkan melalui serangkaian kompleks protein membran (sitokrom). Energi dari aliran elektron digunakan untuk memompa ion H+ keluar ke ruang antar-membran, menciptakan gradien konsentrasi. Ketika ion H+ mengalir kembali masuk ke matriks melalui enzim ATP Sintase, energi mekanisnya memicu pembentukan ATP (Kemiosmosis). Di ujung rantai, Oksigen ($O_{2}$) bertindak sebagai akseptor elektron terakhir dan menangkap ion H+ membentuk air ($H_{2}O$).
- Berikut 2 tahapan utama fosforilasi oksidatif:
- Tahap 1: Rantai Transpor Elektron (ETC)
- Oksidasi NADH: Molekul NADH melepaskan elektronnya di Kompleks I dan melepaskan ion H+, sehingga berubah kembali menjadi NAD+.
- Oksidasi FADH2: Molekul FADH2 melepaskan elektronnya di Kompleks II dan berubah kembali menjadi FAD.
- Aliran Elektron: Elektron berenergi tinggi tersebut dialirkan secara berurutan melewati kompleks protein membran (Kompleks I → kompleks II → Q → kompleks III → Cyt c → kompleks IV).
- Pemompaan Proton (H+): Energi yang dilepaskan di sepanjang aliran elektron digunakan secara aktif oleh Kompleks I, III, dan IV untuk memompa ion H+ keluar dari matriks mitokondria menuju ke ruang antar-membran.
- Pembentukan Air (H₂O): Di ujung rantai transpor (Kompleks IV), Oksigen ($O_{2}$) bertindak sebagai akseptor elektron terakhir. Oksigen menangkap 2 elektron yang keluar dari ETC bersama dengan 2 ion hidrogen bebas dari matriks untuk membentuk molekul air ($H_{2}O$).
- Tahap 2: Kemiosmosis (Sintesis ATP)
- Pembentukan Gradien Elektrokimia: Aktivitas pemompaan pada tahap ETC menyebabkan akumulasi ion H+ yang sangat padat di ruang antar-membran, menciptakan gradien konsentrasi yang tinggi dibanding wilayah matriks.
- Aliran Difusi Proton: Karena gradien tersebut, ion H+ akan bergerak kembali masuk ke dalam matriks mitokondria dengan menuruni gradien konsentrasinya.
- Melewati ATP sintase: Ion H+ hanya dapat melintasi membran dalam dengan cara melewati saluran protein khusus, yaitu ATP sintase.
- Sintesis ATP: Aliran ion H+ yang melintasi ATP sintase akan memicu perputaran motor enzim tersebut. Energi dari perputaran ini digunakan untuk mengikatkan Adenosin Difosfat (ADP) dengan fosfat anorganik (Pi) menjadi Adenosin Trifosfat (ATP).
- Tahap 1: Rantai Transpor Elektron (ETC)
- Konversi Energi Elektron:
- 1 molekul NADH setara dengan 2,5 ATP.
- 1 molekul $FADH_{2}$ setara dengan 1,5 ATP.
- Ringkasan Hasil Respirasi Aerob per 1 Molekul Glukosa
- Glikolisis
| Tahap | ATP Langsung | NADH | FADH2 | CO2 |
| Glikolisis | 2 | 2 | 0 | 0 |
| Oksidasi Piruvat | 0 | 2 | 0 | 2 |
| Siklus Krebs | 2 | 6 | 2 | 4 |
| Total | 4 ATP | 10 NADH | 2 FADH2 | $6 CO_{2}$ |
| Sumber ATP | Jumlah ATP |
| Glikolisis | 2 |
| Siklus Krebs | 2 |
| 10 NADH | $10 \times 2,5 = 25$ |
| 2 FADH2 | $2 \times 1,5 = 3$ |
| Total | 32 ATP |
3. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
- Jika sel kekurangan oksigen ($O_{2}$), respirasi seluler tertahan di tahap glikolisis karena transpor elektron mati akibat tidak adanya akseptor terakhir.
- Untuk mempertahankan pasokan ATP darurat, sel melakukan fermentasi guna meregenerasi NAD+ agar glikolisis dapat terus berjalan.
- Terdapat dua jenis fermentasi :
- Fermentasi Asam Laktat
- Terjadi pada Sel-sel otot hewan/manusia (saat aktivitas berat kekurangan pasokan oksigen) dan bakteri asam laktat (Lactobacillus).
- Mekanisme: Glukosa diubah menjadi Asam Piruvat melalui glikolisis (menghasilkan 2 ATP dan 2 NADH). Karena tidak ada oksigen, Asam Piruvat langsung direduksi oleh NADH menjadi Asam Laktat. Proses ini meregenerasi NADH kembali menjadi NAD+.
- Hasil Akhir: 2 Asam Laktat + 2 ATP (tanpa menghasilkan $CO_{2}$).
- Dampak: Peningkatan asam laktat dan ion H+ di otot sesaat setelah berolahraga, menyebabkan sensasi terbakar atau lelah, namun sensasi ini cepat menghilang setelah berhenti berolahraga..
- Fermentasi Alkohol
- Terjadi pada: Jamur uniseluler ragi (Saccharomyces cerevisiae) dalam pembuatan roti, tape, atau bir.
- Mekanisme: Glukosa diubah menjadi Asam Piruvat melalui glikolisis (menghasilkan 2 ATP dan 2 NADH). Asam Piruvat (3C) melepaskan gugus karboksilnya membentuk senyawa antara bernama Asetaldehid (2C) dan melepaskan $CO_{2}$. Selanjutnya, Asetaldehid direduksi oleh NADH menjadi Etanol (Alkohol).
- Hasil Akhir: 2 Etanol + 2 $CO_{2}$ + 2 ATP.
- Dampak: Gas $CO_{2}$ yang dihasilkan memicu adonan roti mengembang atau memicu gelembung udara pada minuman fermentasi.
- Fermentasi Asam Laktat
BAB: FOTOSINTESIS (ANABOLISME KARBOHIDRAT)
FOTOSINTESIS : ANABOLISME KARBOHIDRAT
1. Pengantar Anabolisme Karbohidrat
- Definisi Anabolisme: Proses penyusunan atau sintesis senyawa organik kompleks dari senyawa anorganik yang lebih sederhana dengan membutuhkan energi (reaksi endergonik).
- Fotosintesis: Bentuk anabolisme utama di alam yang menggunakan energi cahaya (foton) untuk mengubah Karbondioksida ($CO_{2}$) dan Air (H₂O) menjadi Glukosa ($C_{6}H_{12}O_{6}$) dan Oksigen ($O_{2}$).
- Persamaan Reaksi Umum:
- $6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}$ (dengan bantuan cahaya)
- Karbon Dioksida + Air $\rightarrow$ Glukosa + Oksigen
2. Tempat Berlangsung: Kloroplas
- Proses fotosintesis terjadi di dalam organel bernama kloroplas. Bagian kloroplas yang krusial untuk dipahami meliputi:
- Tilakoid: Kantung-kantung pipih tempat terjadinya Reaksi Terang. Membran tilakoid mengandung pigmen fotosintesis (klorofil a, klorofil b, karotenoid).
- Grana (tunggal: Granum): Tumpukan dari tilakoid.
- Stroma: Cairan kental yang mengisi rongga kloroplas di luar tilakoid. Merupakan tempat terjadinya Reaksi Gelap (Siklus Calvin) yang kaya akan enzim, seperti RuBisCO.
3. Reaksi Terang (Fotofosforilasi)
- Reaksi terang bergantung langsung pada cahaya (light-dependent reaction).
- Tujuannya adalah mengubah energi surya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH, serta menghasilkan $O_{2}$ sebagai produk sampingan melalui fotolisis air.
- Fotosistem (Pusat Reaksi): Unit fungsional penangkap cahaya yang terdiri dari kompleks antena (klorofil) dan pusat reaksi.
- Fotosistem I (PSI / P700): Paling baik menyerap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm.
- Fotosistem II (PS II / P680): Paling baik menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm.
- Proses aliran elektron pada reaksi terang dibagi menjadi dua jalur:
- Aliran Elektron Non-Siklik (Jalur Utama)
- Tahap 1: Fotoaktivasi PSII dan Pemecahan Air
- Proses dimulai ketika cahaya matahari diserap oleh kompleks klorofil di PSII (Fotosistem II atau P680).
- Energi cahaya ini menyebabkan elektron (e-) di dalamnya tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi.
- Untuk menggantikan elektron yang hilang, molekul air (H₂O) dipecah di sisi lumen melalui proses fotolisis menjadi:
- $H_{2}O \rightarrow 2H^{+} + 2e^{-} + \frac{1}{2} O_{2}$
- Gas oksigen ($O_{2}$) akan dilepaskan ke atmosfer, sedangkan ion hidrogen (H+) dilepaskan ke dalam kloroplas bagian bawah (lumen tilakoid).
- Tahap 2: Rantai Transpor Elektron & Akumulasi H+
- Elektron (e-) yang berenergi tinggi dari PSII dialirkan melalui serangkaian kompleks protein pembawa elektron di sepanjang membran tilakoid menuju PSI.
- Selama perjalanan ini, energi dari elektron digunakan oleh kompleks protein perantara untuk memompa ion hidrogen (H+) dari stroma masuk ke dalam lumen tilakoid.
- Hal ini menyebabkan penumpukan ion H+ di dalam lumen, menciptakan gradien konsentrasi proton yang tinggi.
- Tahap 3: Fotoaktivasi PSI dan Reduksi NADP+
- Di saat yang sama, cahaya juga menyinari PSI (Fotosistem I / P700), mengeksitasi elektronnya ke pembawa elektron berikutnya.
- Elektron dari PSI yang telah teraktivasi ini dialirkan ke enzim NADP+ reduktase.
- Enzim tersebut menangkap elektron dan ion H+ dari stroma untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH.
- Tahap 4: Kemiosmosis melalui ATP Sintase
- Akumulasi ion H+ yang sangat tinggi di dalam lumen tilakoid menciptakan perbedaan gradien elektrokimia dengan stroma.
- Satu-satunya jalan bagi ion H+ untuk keluar kembali ke stroma adalah dengan melewati kompleks protein ATP sintase.
- Aliran proton yang keluar digerakkan oleh gaya gerak proton, yang memicu perputaran motor ATP sintase untuk memfosforilasi Pi + ADP menjadi ATP di area stroma.
- Hasil Akhir Non-Siklik: ATP, NADPH, dan Oksigen ($O_{2}$).
- Tahap 1: Fotoaktivasi PSII dan Pemecahan Air
- Aliran Elektron Siklik (Jalur Alternatif)
- Jalur siklik ini hanya melibatkan Fotosistem I (PSI) dan fokus untuk memproduksi ATP tambahan tanpa menghasilkan NADPH maupun oksigen.
- Tahap 1: Eksitasi Elektron oleh Cahaya
- Proses dimulai saat foton dari cahaya matahari mengenai pigmen klorofil pada pusat reaksi Fotosistem I.
- Energi cahaya ini memicu sepasang elektron di dalamnya teraktivasi dan meloncat keluar menjadi terkesitasi 2e- (elektron tereksitasi) menuju akseptor elektron primer.
- Tahap 2: Melewati Rantai Pembawa Elektron
- Elektron berenergi tinggi tersebut kemudian dialirkan ke bawah melalui serangkaian kompleks protein membran yang bertindak sebagai pembawa elektron.
- Aliran ini membentuk jalur pergerakan yang disebut jalur elektron.
- Tahap 3: Sintesis ATP
- Ketika elektron bergerak menuruni tingkat energi dari satu pembawa elektron ke pembawa berikutnya, energi yang dilepaskan digunakan untuk memompa proton (H+) menembus membran (membentuk gradien elektrokimia).
- Energi dari gradien ini kemudian mendorong penggabungan ADP + Pi menjadi ATP (Adenosin Trifosfat).
- Tahap 4: Elektron Kembali ke Klorofil
- Setelah energinya habis digunakan untuk membentuk ATP, sepasang elektron (2e-) tersebut dialirkan kembali menuju molekul klorofil semula di pusat reaksi Fotosistem I.
- Karena elektron kembali ke tempat asalnya, proses ini disebut Siklik (berputar) dan klorofil tidak membutuhkan donor elektron eksternal (seperti air) untuk menstabilkan diri.
- Hasil Akhir Siklik: Hanya ATP (tidak menghasilkan NADPH maupun $O_{2}$).
- Aliran Elektron Non-Siklik (Jalur Utama)
4. Reaksi Gelap (Siklus Calvin)
- Reaksi gelap tidak membutuhkan cahaya secara langsung (light-independent reaction), tetapi memanfaatkan ATP dan NADPH hasil reaksi terang untuk mereduksi $CO_{2}$ menjadi gula.
- Berlangsung melalui 3 tahapan utama:
- Tahap 1: Fiksasi Karbon (Pengikatan)
- 3 molekul $CO_{2}$ dari udara diikat oleh 3 molekul senyawa berkarbon 5 bernama Ribulosa Bifosfat (RuBP).
- Reaksi ini dikatalisis oleh enzim paling melimpah di bumi, yaitu RuBisCO (RuBP karboksilase-oksigenase).
- Hasilnya adalah senyawa berkarbon 6 yang tidak stabil, yang segera pecah menjadi 6 molekul 3-fosfogliserat (PGA) (senyawa berkarbon 3).
- Tahap 2: Reduksi
- Masing-masing molekul PGA menerima gugus fosfat dari ATP (mengonsumsi 6 ATP) membentuk 1,3-bifosfogliserat.
- Senyawa tersebut kemudian direduksi oleh elektron dari NADPH (mengonsumsi 6 NADPH) menjadi 6 molekul Gliseraldehid-3 fosfat (G3P) atau PGAL.
- Pelepasan Produk: Dari 6 molekul G3P yang terbentuk, 1 molekul G3P keluar dari siklus untuk dijadikan bahan baku Glukosa.
- Sisa 5 molekul G3P lainnya tetap berada di dalam siklus.
- Tahap 3: Regenerasi RuBP
- 5 molekul G3P yang tersisa diatur ulang strukturnya menggunakan energi dari ATP (mengonsumsi 3 ATP) untuk membentuk kembali 3 molekul RuBP.
- RuBP yang terbentuk siap mengikat $CO_{2}$ baru untuk memulai siklus kembali.
- Tahap 1: Fiksasi Karbon (Pengikatan)
- Untuk menghasilkan 1 molekul Glukosa utuh ($C_{6}H_{12}O_{6}$), diperlukan 2 molekul G3P. Artinya, Siklus Calvin harus berputar sebanyak 6 kali, mengonsumsi total 18 ATP dan 12 NADPH.
5. Adaptasi Fotosintesis (Tanaman C3, C4 dan CAM)
- Untuk beradaptasi dengan lingkungan kering atau panas, tumbuhan berevolusi memiliki mekanisme fiksasi CO₂ yang berbeda:
- Tumbuhan C3
- Tumbuhan C3 adalah kelompok tumbuhan yang paling umum (seperti padi, gandum, dan kedelai).
- Mekanisme: Molekul 6 $CO_{2}$ langsung masuk ke dalam sel mesofil dan diikat langsung oleh siklus utama yaitu siklus Calvin.
- Produk Pertama: Hasil fiksasi karbon pertamanya adalah senyawa berkarbon 3 (3-fosfogliserat atau PGA), itulah mengapa disebut C3.
- Hasil Akhir: Siklus Calvin menghasilkan senyawa 2 G3P yang kemudian dikonversi menjadi glukosa.
- Kelemahan: Jika cuaca terlalu panas dan stomata menutup, konsentrasi $CO_{2}$ di dalam daun menurun dan $O_{2}$ meningkat, memicu terjadinya fotorespirasi yang menurunkan efisiensi fotosintesis.
- Tumbuhan C4
- Tumbuhan C4 (seperti jagung, tebu, dan sorgum) melakukan adaptasi anatomi daun secara spasial (pemisahan tempat) untuk menghindari fotorespirasi.
- Proses fiksasi terjadi di dua sel yang berbeda:
- Di Sel Mesofil: Molekul 6 $CO_{2}$ pertama kali diikat bukan oleh RuBP, melainkan oleh senyawa 6 PEP (Fosfoenolpiruvat) membentuk senyawa berkarbon 4 yaitu 6 Malat.
- Di Sel Seludang Pembuluh: Malat kemudian dipindahkan masuk ke dalam seludang pembuluh. Di dalam sel ini, Malat memandulkan kembali senyawa 6 $CO_{2}$ (proses dekarboksilasi) untuk langsung dimasukkan ke dalam siklus Calvin, sedangkan sisa karbonnya kembali membentuk PEP.
- Hasil Akhir: Siklus Calvin menghasilkan 2 G3P dan membentuk Glukosa. Pemisahan tempat ini memastikan Siklus Calvin selalu jenuh dengan $CO_{2}$, sehingga fotorespirasi hampir tidak pernah terjadi.
- Tumbuhan CAM
- Tumbuhan CAM (seperti nanas, kaktus, dan anggrek) beradaptasi di lingkungan yang sangat gersang dengan melakukan pemisahan secara temporal (pemisahan waktu malam dan siang) di dalam sel yang sama (sel mesofil):
- Malam Hari: Stomata membuka pada malam hari untuk meminimalkan penguapan air. Molekul 6 $CO_{2}$ masuk dan diikat oleh 6 PEP menjadi 6 malat, kemudian disimpan di dalam vakuola sel sepanjang malam.
- Siang Hari: Stomata menutup rapat untuk menghemat air. Malat yang disimpan semalam dikeluarkan dari vakuola dan dipecah untuk melepaskan gas 6 $CO_{2}$ di dalam sel. $CO_{2}$ yang melimpah ini langsung digunakan oleh siklus Calvin yang digerakkan oleh energi ATP dan NADPH dari reaksi terang siang hari guna menghasilkan 2 G3P dan glukosa.
- Hasil Akhir: Siklus Calvin menghasilkan 2 G3P dan membentuk glukosa.
- Pemisahan waktu ini memastikan Siklus Calvin selalu jenuh dengan $CO_{2}$, sehingga fotorespirasi hampir tidak pernah terjadi.
- Tumbuhan CAM (seperti nanas, kaktus, dan anggrek) beradaptasi di lingkungan yang sangat gersang dengan melakukan pemisahan secara temporal (pemisahan waktu malam dan siang) di dalam sel yang sama (sel mesofil):
- Tumbuhan C3
| Karakteristik | Tumbuhan C3 | Tumbuhan C4 | Tumbuhan CAM |
| Pemisahan Fiksasi | Tidak ada pemisahan | Pemisahan Tempat (Mesofil & Seludang Pembuluh) | Pemisahan Waktu (Siang & Malam) |
| Fiksasi $CO_{2}$ Pertama | RuBP (oleh enzim Rubisco) | PEP (oleh enzim PEP karboksilase) | PEP (oleh enzim PEP karboksilase) |
| Produk Awal Fiksasi | Senyawa C3 (PGA) | Senyawa C4 (Malat / Oksaloasetat) | Senyawa C4 (Malat) |
| Kondisi Lingkungan | Sesuai untuk daerah sejuk/basah | Sesuai untuk daerah panas/terang | Sesuai untuk daerah sangat kering (Arid) |
6. Faktor-Faktor yang Memengaruhi Fotosintesis
- Intensitas Cahaya: Semakin tinggi intensitas cahaya, laju fotosintesis naik hingga mencapai titik jenuh (optimum).
- Konsentrasi $CO_{2}$: Merupakan bahan baku utama. Kenaikan kadar $CO_{2}$ akan mendongkrak laju fotosintesis selama faktor lain mendukung.
- Suhu: Enzim fotosintesis (terutama RuBisCO) bekerja optimum pada suhu kisaran $20-30^{\circ}C$. Suhu yang terlalu tinggi akan mendenaturasi enzim.
- Ketersediaan Air: Kekurangan air menyebabkan stomata menutup untuk mencegah dehidrasi, yang berdampak pada terhambatnya pasokan $CO_{2}$ masuk ke daun.
- Konsentrasi Karbon Dioksida ($CO_{2}$): Semakin tinggi konsentrasi $CO_{2}$, laju fotosintesis meningkat sampai batas optimum. Jika $CO_{2}$ sangat rendah, fotosintesis menjadi terhambat. Konsentrasi $CO_{2}$ di atmosfer sekitar 0,04% (±420 ppm).
- Panjang Gelombang Cahaya (Warna Cahaya): Klorofil menyerap cahaya dengan efisiensi yang berbeda. Efektivitas warna cahaya:
- Biru (430-450 nm) $\rightarrow$ sangat efektif.
- Merah (640-680 nm) $\rightarrow$ sangat efektif.
- Hijau $\rightarrow$ paling sedikit diserap sehingga kurang efektif untuk fotosintesis.
