Metabolisme adalah reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam sel. Metabolisme sel dapat dibagi menjadi dua, yaitu:
1. Katabolisme adalah proses penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana untuk menghasilkan energi.
2. Anabolisme adalah proses sintesis senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks.
Umumnya, proses metabolik melibatkan aktivitas katalis biologik yang disebut enzim dengan melibatkan ATP.
B. ENZIM
1. Komponen Enzim
a. Apoenzim, yaitu bagian enzim yang berupa protein, bersifat tidak tahan panas (termolabil), dan berfungsi menentukan kekhususan dari enzim.
b. Gugus prostetik, yaitu bagian yang bukan protein dan bersifat aktif, terdiri dari kofaktor (molekul anorganik, misalnya Fe, Zn, Cu) dan koenzim (senyawa organik kompleks, misalnya NAD+, FAD, Koenzim A, dan vitamin B).
2. Sifat-sifat Enzim
- Merupakan protein
- Biokatalisator (mempercepat reaksi, tanpa ikut bereaksi).
- Bekerja secara spesifik (hanya mempengaruhi substrat tertentu saja).
- Diperlukan dalam jumlah sedikit.
- Bekerja secara bolak-balik.
- Termolabil (dipengaruhi oleh suhu)
3. Mekanisme Kerja Enzim
Enzim mengkatalis reaksi dengan cara meningkatkan laju reaksi. Enzim meningkatkan reaksi dengan cara menurunkan energi ativasi. Cara kerja enzim dapat dijelaskan dengan dua teori, yaitu:
a. Teori gembok dan kunci ( Lock and key theory)
Teori gembok dan kunci menyatakan bahwa enzim diumpamakan sebagai gembok dan substrat diumpamakan sebagai kunci yang dapat berikatan dengan sisi aktif enzim.
b. Teori kecocokan yang terinduksi (Induced fit theory)
Pada teori ini sisi aktif enzim bersifat fleksibel, sehingga ikatan antara enzim dan substrat dapat berybah menyesuaikan substrat.
4. Faktor-faktor yang Memengaruhi Kerja Enzim
a. Suhu, enzim hanya mampu bekerja optimum pada kisaran suhu tertentu (30-40)°C. Suhu yang tinggi dapat menyebabkan denaturasi, sedangkan suhu yang rendah dapat menghambat reaksi.
b. pH, pH optimum yang diperlukan tergantung pada jenis enzimnya.
c. Konsentrasi enzim dan substrat, penambahan kosentrasi enzim mengakibatkan kecepatan reaksi meningkat, sehingga dicapai kecepatan konstan.
d. Inhibator (zat penghambat), dibagi menjadi dua, yaitu:
- Inhibator kompetitif adalah molekul penghambat yang bersaing dengan substrat untuk mendapatkan sisi aktif enzim
- Inhibator nonkompetitif adalah molekil penghambat enzim yang bekerja dengan cara melekatkan diri pada luar sisi aktif enzim, sehingga bentuk enzim berubah dan sisi aktif enzim tidak dapat berfungsi. Hal ini menyebabkan substrat tidak masuk ke sisi aktif enzim.C. KATABOLISME KARBOHIDRAT
Katabolisme merupakan reaksi pemecahan senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana disertai dengan pembebasan energi dalam bentuk ATP. contoh katabolisme, yaitu proses respirasi. Ada dua macam respirasi, yaitu:
1. Respirasi Aerob
Secara sederhana, reaksi repirasi adalah sebagai berikut:
Tahapan-tahapan respirasi aerob:
a. Glikolis adalah peristiwa pengubahan molekul glukosa (6 atom C) menjadi 2 molekul yang lebih sederhana, yaitu asam piruvat (3 atom C). Produk penting glikolis adaha:
1) 2 molekul asam piruvat.
2) 2 molekul NADH sebagai sumber elektron berenergi tinggi.
3) 2 molekul ATP dari 1 molekul glukosa.
b. Dekarboksilasi oksidatif (reaksi transisi atau reaksi antara)
Pada tahap ini terjadi pengubahan asam piruvat menjadi asetil Co-A yang berlangsung di matriks mitokondria, menghasilkan 2 asetil Co-A dan CO2, serta NADH.
c. Siklus Krebs (Asam sitrat)
Siklus krebs terjadi di matriks mitokondria. Dakan siklus krebs, dihasilkan 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP, dan 4 CO2.
d. Transpor elektron
Transpor elektron terjadi di membran dalam (krista) mitokondria, dan berakhir setelah elektron dan H+ bereaksi dengan oksigen yang berfungsi sebagai akseptor terakhir, membentuk H2O. ATP yang dihasilkan pada tahap ini adalah 34 ATP.
2. Respirasi Anaerob
Respirasi anaerob merupakan respirasi yang tidak menggunakan oksigen sebagai penerima akhir pada saat pembentukan ATP. Respirasi anaerob juga menggunakan glukosa sebagai substrat. Fermentasi dibedakan menjadi dua, yaitu:
a. Fermentasi alkohol, dilakukan oleh jamur ragi (Saccharomyces sp.)
b. Fermentasi asam laktat, terjadi pada otot manusia saat melakukan kerja keras dan persediaan oksigen kurang mencukupi.
D. ANABOLISME KARBOHIDRAT
Reaksi anabolisme merupakan peristiwa sintesis atau penyusunan, sehngga memerlukan energi, dan dibentuk reaksi endergonik. Contoh: fotosintesis, kemosintesis.
1. Fotosintesis
Fotosintesis adalah peristiwa pembentukan zat organik (karbohidrat) dari CO2 dan H2O dengan bantuan energi cahaya matahari. Secara sederhana, reaksi fotosintesis sebagai berikut:
Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas. Kloroplas merupakan organel plastida yang mengandung pigmen hijau daun (klorofil). Kloroplas tersusun atas bagian-bagiannya, antara lain: Stroma (cairan plastida untuk pembentukan karbohidrat), tilakoid ( struktur cakram bertumpuk-tumpuk, yang terbentuk dari pelipatan membran dalam kloroplas, dan berfungsi menangkap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia) serta grana ( selubung tangkai penghubunh tilakoid).
a. Tahap-tahap Fotosintesis
Proses reaksi fotosintesis dalam tumbuhan tinggi dibagi menjadi dua tahap, yaitu:
1) Reaksi terang (Hill)
Reaksi terang terjadi di grana. Energi cahaya memacu pelepasan elektron dari fotosistem di dalam membran tilakoid. Fotosistem adalah tempat berkumpulnya beratus-ratus molekul pigmen fotosintesis. Aliran elektron melalui sistem transpor menghasilkan ATP dan NADPH. Pada reaksi terang, elektron dilepaskan melalui dua macam aliran, yaitu:
- Jalur Siklik, elektron dilepaskan oleh forosistem I (P700 nm), kemudian melalui sistem transpor elektron akan kembali ke fotosistem lagi. Jalur ini hanya menghasilkan ATP.
- Jalur Nonsiklik, pada jalur ini terjadi fotolisis air.
Fotosistem II akan mengambil elektron hasil fotolisis. Dari fotolisis II, elektron diteruskan ke fotosistem I (P680) melalui sistem transpor elektron. Dalam proses tersebut akan terbentuk ATP. Pada saat yang bersamaan, fotosistem I akan melekpaskan elektron. Elektron tersebut diteruskan ke sistem transpor elektron hingga akhirnya diikat NAPD" untuk membentuk NAPDPH2.
Hasil akhir dari reaksi terang antara lain: ATP, NAPDH 2, dan O2.
2) Reaksi gelap ( siklus Calvin/Blackman)
Disebut juga siklus Calvin-Benson. Reaksi ini disebut reaksi gelap, karena tidak tergantung secara langsung dengan cahaya matahari. Reaksi gelap terjadi di stroma Reaksi gelap terjadi melalui beberapa tahapan, yaitu:
- Tahap fiksasi (pengikatan) CO2 oleh ribulosa bifosfat (RuBP) menjadi fosfat gliserat (APG)
- Tahap reduksi APG menjadi fosfogliseraldehid (PGAL) dengan memakai ion H+ dari NADPH2
- Tahap regenerasi RuBP dan penambabatan CO2 kembali berlangsung.
Hasil dari reaksi gelap adalah C6H12O6 (karbohidrat)
b. Percobaan Fotosintesis
1) Ingenhousz
- Perangkat percobaan yang digunakan adalah Hydrilla verticillata dalam bejana yang ditutup dengan corong terbalik yang di atasnya diberi tabung reaksi yang telah diisi penuh aur dan disinari cahaya matahari.
- Kesimpulan percobaan: akan terbentuk gelembung-gelembung air yang merupakan O2
2) Sachs
- Perangkat percobaan yang digunakan adalah daun yang dituup kertas alumunium foil dan daun dalam keadaan terbuka.
- Setelah terkena sinar matahari dilakukan perebusan daun di air yang mendidih (mematikan sel-sel daun).
- Perlakuan selanjutnya dimasukkan ke alkohol (melarutkan klorofil).
- Ditetesi dengan lugol (menguji adanya amilum).
- Jika positif mengandung amilum, warna daun berubah menjadi biru tua. Jika negatif, warna daun pucat.
- Kesimpulan percobaan: hasil fotosintesis berupa amilum
3) Englemann
- Perangkat percobaan yang digunakan adalah spriogyra yang diletakkan di atas gelas benda yang telah diberi air dan diamati di bawah mikroskop.
-Kesimpulan percobaan: fotosintesis membutuhkan cahaya dan klorofil serta menghasilkan O2
c. Jalur C3, C4. dan CAM
1) Daur C3, terjadi pada tanaman polong-polongan, gandum, padi. Daur ini diawali dengan fiksasi CO2, yaitu menggabungkan CO2 dengan sebuah molekul akseptor karbon. Tetapi, dalam daur ini CO2 difiksasi ke gula berkarbon lima, yaitu ribulosa bifosfat (RuBP) oleh enzim karboksilase RuBP (rubisko). Molekul berkarbon 6 yang berbentuk tidak stabil dan segera terpisah menjadi 2 molekul fosfogliserat (PGA).
2) Daur C4 disebut juga jalur metabolisme Hatch-Slack, yaitu jalur metabolisme penambatan CO2 yang pada tahap reaksi pertamanya melibatkan pembentukan asam dikarboksinat beratom karbon empat, yaitu oksaloasetat, malat, dan asam aspartat. Daur C4 ini terjadi pada tumbuhan golongan C, seperti jagung, rumput-rumputan, dan tumbuhan padang pasir.
3) Daur CAM, daur ini terjadi pada tanaman nanas, kaktus, bunga lili, agave, dan beberapa jenis anggrek. Secara biokimia, daur CAM identik dengan daur C4, kecuali adanya pemisahan reaksi sintesis antara mesofil dengan berkas sel seludang bahkan, semua reaksi dipisahkan oleh waktu, suatu faktor yang sangat penting bagi kelangusungan hidup tanaman CAM pada lingkungan yang kering.
2. Kemosintesis
Kemosintesis adalah reaksi penyusunan bahan organik yang dilakukan dengan energi yang diperoleh dari pemecahan senyawa kimia. Bakteri yang mampu melakukan kemosintesis adalah bakteri kemoautotrof. Beberapa macam bakteri kemoatotrof, yaitu:
a. Bakteri Nitrit, mengoksidasi amonia (NH3) menjadi nitrit )HNO2). Misalnya Notrosomonas dan Nitrosococcus.
b. Bakteri Nitrat, mengoksidasi nitrit (HNO2) menjadi (HNO3). Misalnya Nitrobacter.
c. Bakteri Sulfur, mengoksidasi hidrogen sulfida (H2S) menjadi air (H2O) dan sulfur (S).
