METABOLISME

Metabolisme merupakan semua reaksi kimia yang terjadi pada suatu organisme termasuk pada tingkat paling kecil atau seluler. Salah satu reaksi yang terjadi pada peristiwa metabolisme adalah proses pembentukan atau pembuatan energi yang dibutuhkan tubuh pada makhluk hidup. Peristiwa metabolisme merupakan peristiwa yang melibatkan enzim di dalam setiap reaksinya.

Gambar Diagram Peristiwa Metabolisme Pada Organisme Autotrof

Peristiwa metabolisme dapat terjadi pada semua makhluk hidup. Namun proses metabolisme yang dapat menghasilkan energi paling tinggi di ekosistem hanya dapat dilakukan oleh organisme autotrof dikarenakan selain mampu membentuk energi dari konversi makanannya organisme autotrof pun mampu membentuk energi lain melalui proses tertentu dan menggunakan energi yang terbentuk tersebut untuk membuat makanannya sendiri. Sehingga peristiwa metabolisme yang terjadi pada organisme autotrof berjalan seperti siklus.

Proses metabolisme di dalam makhluk hidup dapat dibedakan menjadi dua, yaitu:

1. Katabolisme
2. Anabolisme

 

KATABOLISME

Katabolisme merupakan peristiwa penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa-senyawa yang sederhana dan menghasilkan energi bebas. Proses ini disebut juga reaksi eksergonik karena menghasilkan energi bebas. Proses katabolisme menghasilkan energi yang berasal dari terlepasnya ikatan-ikatan kimia yang menyusun senyawa kompleks. Energi yang terbentuk adalah dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat). Contoh proses katabolisme adalah respirasi seluler.

Gambar Peristiwa Katabolisme

Respirasi seluler merupakan peristiwa respirasi yang terjadi di dalam sel. Berdasarkan ketersediaan dan kebutuhan oksigennya, respirasi seluler dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Respirasi Aerob
2. Respirasi Anaerob

 

RESPIRASI AEROB

Respirasi aerob merupakan proses pemecahan glukosa yang membutuhkan oksigen (O2) selama prosesnya. Respirasi aerob yang melalui jalur glikolisis melalui empat tahapan, yaitu:

1. Glikolisis; terjadi di sitosol dan merupakan peristiwa pemecahan senyawa gula menjadi asam piruvat, ATP, dan NADH
2. Dekarboksilasi Oksidatif; terjadi di matriks mitokondria dan merupakan peristiwa konversi senyawa asam piruvat menjadi asetil koenzim A, NADH, dan karbon dioksida (CO2)
3. Siklus Krebs; terjadi di matriks mitokondria dan merupakan peristiwa reaksi asetil koenzim A dengan senyawa oksaloasetat menjadi ATP, NADH, FADH2, dan CO2
4. Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif; terjadi di membran dalam mitokondria dan merupakan peristiwa konversi NADH dan FADH2 pada tahapan sebelumnya menjadi ATP dan menghasilkan air (H2O)

Setiap senyawa NADH yang terbentuk akan setara dengan 3 ATP yang akan dihasilkan. Sementara setiap senyawa FADH2 akan setara dengan 2 ATP yang dihasilkan.

Jumlah NADH yang dihasilkan pada glikolisis adalah 2 NADH, pada dekarboksilasi oksidatif 2 NADH, dan pada siklus Krebs 6 NADH. Sementara itu, 2 senyawa FADH2 hanya dihasilkan pada siklus Krebs. Sehingga jumlah totalnya adalah 10 NADH  dan 2 FADH2 yang akan dikonversi ke dalam bentuk ATP pada peristiwa fosforilasi oksidatif.

Sehingga jumlah total ATP yang bisa dihasilkan dari satu senyawa glukosa yang dipecah melalui jalur glikolisis maksimal berjumlah 38 ATP. Namun selama proses ini berlangsung, jumlah ATP yang dihasilkan dapat juga berjumlah 36 ATP. Hal ini bergantung pada 2 senyawa NADH yang dihasilan pada proses glikolisis yang berada di sitosol dan akan dibawa masuk ke dalam mitokondria melalui membran mitokondria akan melalui saluran malat aspartat atau melalui saluran gliserol fosfat (lihat Gambar Skema Proses Respirasi Aerob).

Malat aspartat

Bila NADH menembus membran mitokondria melalui saluran malat aspartat, molekul tersebut akan keluar tetap dalam bentuk NADH sehingga hasil akhirnya tetap 38 ATP.  Hasil lebih rincinya adalah sebagai berikut:

• 2 molekul ATP dari glikolisis
• 2 molekul ATP dari siklus krebs
• 34 molekul ATP dari transpor elektron (berasal dari 2 NADH glikolisis, 2 NADH dekarboksilasi oksidatif, 6 NADH siklus krebs, dan 2 FADH2 siklus krebs)

Gliserol fosfat

Namun bila NADH menembus membran mitokondria melalui saluran gliserol fosfat, molekul tersebut akan berubah menjadi FADH2 sehingga ATP yang dihasilkan adalah 36. Hasil lebih rincinya adalah sebagai berikut:

• 2 molekul ATP dari glikolisis
• 2 molekul ATP dari siklus krebs
• 32 molekul ATP dari transpor elektron (berasal dari 2 NADH dekarboksilasi oksidatif, 6 NADH siklus krebs, 2 FADH2 glikolisis, dan 2 FADH2 siklus krebs)

Gambar Skema Proses Respirasi Aerob

 

RESPIRASI ANAEROB

Respirasi anaerob adalah proses pemecahan glukosa yang tidak membutuhkan oksigen (O2). Adapun beberapa organisme yang dapat melakukan respirasi anaerob di antaranya adalah khamir, bakteri asam laktat, otot tubuh pada manusia. Jika dibandingkan respirasi aerob, respirasi anaerob hanya menghasilkan sedikit energi (ATP). Proses respirasi anaerob dibedakan menjadi 2, yaitu:

1. Fermentasi Alkohol
2. Fermentasi Asam Laktat

Baik fermentasi alkohol maupun fermentasi asam laktat, keduanya hanya menghasilkan 2 ATP dari proses pemecahan glukosa atau glikolisis.

Gambar (a) Proses Fermentasi Alkohol; Gambar (b) Proses Fermentasi Asam Laktat

 

PERBEDAAN ANTARA RESPIRASI AEROB DAN RESPIRASI ANAEROB

Perbedaan antara respirasi aerob dengan respirasi anerob adalah sebagai berikut:

1. Kebutuhan Oksigen

Respirasi aerob membutuhkan oksigen, sementara respirasi anaerob tidak membutuhkan oksigen.

2. Tempat Terjadinya Reaksi

Proses resprasi aerob terjadi di sitoplasma dan mitokondria. Sementara respirari anaerob terjadi di sitoplasma.

3. Proses dan Tahapan

Pada respirasi aerob, prosesnya lebih panjang. Terdiri dari 4 tahapan (glikolisis, dekarboslisasi oksidatif, siklus krebs, dan transpor elektron) sementara pada respirasi anaerob prosesnya lebih singkat dan reaksinya hanya glikolisis dan fermentasi saja.

4. Energi Yang DIhasilkan

Respirasi aerob menghasilkan energi bersih 36-38 ATP , sedangkan respirasi anaerob hanya menghasilkan 2 ATP.

5. Hasil Samping

Respirasi aerob merombak substrat mejadi CO₂ dan H₂O secara sempurna. Hidrogen yang terlepas dari substrat selama proses akan bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan air.

Sementara respirasi anaerob merombak substrat menjadi air dengan tidak sempurna. Alhasil, sebagian hidrogen yang terlepas dari substrat akan bereaksi dengan senyawa lain dan membentuk berbagai jenis asam (alkohol dan asam laktat).

KATABOLISME SENYAWA KOMPLEKS LAINNYA

Selain pada glukosa, peristiwa katabolisme juga terjadi pada senyawa kompleks lainnya. Berikut ini adalah gambar skema proses katabolisme pada senyawa kompleks di dalam tubuh.

Gambar Skema Proses Katabolisme Senyawa Kompleks di Dalam Tubuh

ANABOLISME

Anabolisme merupakan peristiwa pembentukan atau penyusunan senyawa kompleks dari senyawa-senyawa yang sederhana dan membutuhkan energi sehingga sering dikategorikan ke dalam reaksi endergonik. Contoh peristiwa anabolisme adalah:

1. Fotosintesis
2. Kemosintesis

Gambar Peristiwa Anabolisme

FOTOSINTESIS

Fotosintesis merupakan proses penyusunan atau pembentukan senyawa kompleks (organik) dari senyawa sederhana (anorganik) dengan menggunakan energi cahaya. Seenyawa kompleks yang terbentuk adalah glukosa. Selain glukosa, fotosintesis juga menghasilkan oksigen yang akan dilepaskan ke lingkungan. Senyawa sederhana yang dibutuhkan adalah CO2 dan H2O.

Gambar Skema Proses Fotosintesis di Kloroplas

Proses fotosintesis berlangsung pada pigmen fotosintetik (klorofil) di dalam kloroplas. Kloroplas tersusun atas tilakoid, yang mengandung klorofil dan matriks kloroplas yang disebut stroma.

Di dalam kloroplas terdapat pigmen-pigmen yang berperan menangkap cahaya dan membentuk suatu sistem yang disebut dengan fotosistem. Fotosistem termasuk ke dalam salah satu tahapan dari peristiwa fotosintesis. Setiap fotosistem terdiri dari sistem penangkap cahaya dan pusat reaksi.

Gambar Fotosistem Yang Terdapat Di Dalam Kloroplas

Fotosistem dibagi menjadi dua berdasarkan panjang gelombang cahaya yang ditangkap, yaitu:

1. Fotosistem I (P700); mengandung pigmen yang mampu menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm (nanometer)
2. Fotosistem II (P680); mengandung pigmen yang mampu menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm

Fotosintesis terbagi menjadi dua tahapan, yaitu:

1. Reaksi Terang
2. Reaksi Gelap

• Reaksi Terang; berlangsung di membran tilakoid dan merupakan reaksi yang membutuhkan cahaya. Membutuhkan H2O dan hasil dari reaksi terang adalah ATP dan NADPH serta O2 yang akan dilepas ke lingkungan. Energi cahaya yang ditangkap oleh pigmen penangkap cahaya digunakan oleh pusat reaksi untuk mengalirkan elektron membentuk jalur perjalanan elektron. Peristiwa ini disebut juga dengan fotofosforilasi. Dalam reaksi terang, terdapat 2 fotofosforilasi, yaitu: fotofosforilasi siklik dan fotofosforilasi non siklik
• Fotofosforilasi nonsiklik; fotosistem II menyerap energi cahaya yang ditangkap oleh klorofil untuk memecah molekul air (fotolisis), elektron yang dilepaskan dari hasil fotolisis diteruskan ke akseptor elektron menuju ke sistem transpor elektron (PQ, CC, PC) dan dihasilkan ATP. Kemudian elektron akan diteirma oleh fotosistem I dan pada saat yang bersamaan fotosistem I menyerap energi cahaya dan juga melepaskan elektron yang diteruskan ke akseptor elektron menuju ke sistem transpor elektron (FD) dan akhirnya ditangkap oleh NADP+ dan berikatan dengan H+ hasil dari fotolisis air sehingga membentuk NADPH2. 
• Fotofosforilasi siklik; elektron yang dilepaskan oleh fotosistem I akan ditangkap oleh akseptor elektron yang diteruskan menuju  ke sistem feredoksin dan  dilanjutkan ke kompleks sitokrom dan akhirnya kembali ke fotosistem I; fotofosforilasi siklik digunakan untuk menghasilkan ATP saja (Lihat Gambar Peristiwa Reaksi Terang).

Gambar Peristiwa Reaksi Terang (Pq: Plastoquinon; Pc: Plastocyanin; Fd: Feredoksin)

• Reaksi Gelap; berlangsung di stroma dan merupakan reaksi yang tidak membutuhkan cahaya. Membutuhkan CO2 dan menggunakan ATP dan NADPH yang berasal dari reaksi terang dan dioksidasi menjadi ADP serta NADP+ yang kemudian akan tereduksi kembali melalui peristiwa reaksi terang. Hasil dari reaksi gelap adalah molekul gula (berkarbon 6). Reaksi gelap terdiri dari 3 tahap yaitu: tahap fiksasi, tahap reduksi, dan tahap regenerasi.
• Tahap Fiksasi; tahap pengikatan CO2 oleh Ribulosa bifosfat (RuBP)
• Tahap Reduksi; tahap pengurangan gugus fosfat dari ATP dan Hidrogen dari NADPH
• Tahap Regenerasi; tahap pembentukan kembali RuBP dari gliseraldehid 3 fosfat (G3P) atau fosfogliseraldehid (PGAL)(Lihat Gambar Peristiwa Reaksi Gelap).

Gambar Peristiwa Reaksi Gelap

Link Video Reaksi Gelap

 

KEMOSINTESIS

Selain fotosintesis, ada proses anabolisme lain yang terjadi di ekosistem. Kemosintesis merupakan proses pembentukan senyawa kompleks yang berasal dari proses reaksi senyawa-senyawa kimia. Kemosintesis tidak terjadi di dalam tumbuhan.

Bakteri-bakteri kemosintesis memperoleh energi dari hasil oksidasi senyawa-senyawa tertentu. Misalnya, 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. Beberapa bakteri yang mampu melakukan kemosintesis dapat dilihat pada tabel rangkuman berikut ini:

Beberapa Bakteri-Bakteri Kemosintesis

Organisme yang melakukan kemosintesis disebut organisme kemoautotrof. Bakteri kemoautotrof akan mengoksidasi senyawa-senyawa tertentu dan energi yang dihasilkan tersebut akan digunakan untuk asimilasi karbon.

Beberapa bakteri kemosintesis memiliki kemampuan seperti organisme berklorofil, yaitu mampu membuat karbohidrat dari bahan mentah anorganik, tetapi mereka tidak menggunakan energi cahaya untuk melakukan hal itu. Pengubahan karbondioksida menjadi karbohidrat dapat pula terjadi dalam sel-sel hewan seperti pada sel-sel tumbuhan. Bakteri pelaku kemosintesis memperoleh energi dan elektron-elektron dengan melaksanakan oksidasi beberapa substansi tereduksi yang ada di alam sekitarnya. Energi bebas tersedia oleh oksidasi ini kemudian digunakan untuk pembuatan karbohidrat.

Energi yang telah didapat tersebut dipakai untuk mereduksi karbondioksida menjadi karbohidrat dengan cara yang sama seperti yang dilakukan bakteri belerang fotosintetik. Mereka menyelesaikan oksidasi senyawa besi yang teroksidasi sebagian dan mampu merangkaikan energi yang dihasilkan oksidasi ini untuk mensintesis karbohidrat. Oksidasi ini menghasilkan energi untuk mendorong reaksi sintesis bakteri tersebut. Nitrat yang dihasilkan menyediakan keperluan nitrogen bagi tumbuhan (Lihat Gambar Bagan Proses Kemosintesis).

Bagan Proses Kemosintesis Pada Bakteri Nitrat