PROSES OKSIDASI BIOLOGI
A. Penger Pengertia tian n Metabol Metabolism ismee
Meta Metabo boli lism smee adal adalah ah seran serangk gkai aian an reak reaksi si kimi kimiaa yang yang terja terjadi di dala dalam m organi organisme sme hidup hidup untuk untuk memper mempertah tahank ankan an hidup. hidup. Proses Proses ini memung memungkin kinkan kan organisme untuk tumbuh dan berkembang biak, menjaga struktur mereka, dan merespon lingkungan mereka. Metabolisme biasanya dibagi menjadi dua kategori. Katabo Katabolism lismee memeca memecah h bahan bahan organi organik, k, misaln misalnya ya untuk untuk energi energi panen panen dalam dalam respirasi selular. Anabolisme, menggunakan energi untuk membangun komponen sel seperti protein dan asam nukleat. Reaksi kimia metabolisme tersebut akan disusun dalam jalur metabolik, di mana mana satu kimia kimia diubah diubah melalu melaluii serang serangkai kaian an langka langkah-l h-lang angkah kah ke kimia kimia lain, lain, dengan urutan enzim. Enzim sangat penting untuk metabolisme karena mereka memu memung ngki kink nkan an
orga organi nism smee
untu untuk k
meng mengge gerak rakka kan n
reaks reaksii
diin diingi gink nkan an
yang yang
memerlukan memerlukan energi dan tidak akan terjadi dengan dengan sendirinya, sendirinya, dengan kopling mereka mereka untuk untuk reaksi-r reaksi-reak eaksi si sponta spontan n yang yang melepa melepaska skan n energi energi.. Sebaga Sebagaii enzim enzim bertindak sebagai se bagai katalis reaksi-reaksi mereka memungkinkan untuk melanjutkan dengan cepat dan efisien. Enzim juga memungkinkan regulasi jalur metabolik dalam menanggapi perubahan di lingkungan sel atau sinyal dari sel lain. Metabolisme dari suatu organisme menentukan zat itu akan menemukan bergizi dan yang akan menemukan beracun. Sebagai contoh, beberapa prokariota menggunakan hidrogen sulfida sebagai nutrisi, namun gas ini beracun bagi hewan. Kecepatan metabolisme, tingkat metabolisme, juga mempengaruhi berapa banyak makanan organisme akan membutuhkan. Sebuah Sebuah fitur fitur mencol mencolok ok dari dari metabo metabolism lismee adalah adalah kesamaa kesamaan n dari dari jalur jalur metabo metabolism lismee dasar dasar antara antara spesies spesies bahkan bahkan sangat sangat berbed berbeda. a. Misaln Misalnya, ya, set asam karboksilat yang paling dikenal sebagai zat antara dalam siklus asam sitrat yang hadir di semua organisme, yang ditemukan pada spesies yang beragam seperti bakteri uniseluler Escherichia coli''''dan organisme multiselular besar seperti gajah. gajah. Ini kesamaan dalam metabolisme metabolisme mungkin karena efisiensi tinggi tinggi jalur tersebut, dan penampilan awal mereka dalam sejarah evolusi.
1
B. Pengertian Katabolisme
Katabolisme adalah reaksi pemecahan / pembongkaran senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Bila pembongkaran suatu zat dalam lingkungan cukup oksigen (aerob) disebut proses respirad, bila dalam lingkungan tanpa oksigen (anaerob) disebut fermentasi.
1. Respirasi
Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan. Contoh: Respirasi pada Glukosa, reaksi sederhananya : C6H12O6 + O2 ——————> 6CO2 + 6H2O + 688KKal. (glukosa)
2. Fermentasi
Pada kebanyakan tumbuhan den 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, nama lainnya adalah respirasi anaerob. Dari hasil akhir fermentasi, dibedakan menjadi fermentasi asam laktat/asam susu dan fermentasi alkohol. Contoh : Fermentasi pada Glukosa : C6H1206 (glukosa)
——————>
2C2H5OH
+
2CO2
+
Energi.
(etanol)
2
C. Anabolisme
Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Anabolisme memerlukan energi, misalnya : energi cahaya untuk fotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis.
1. Fotosintesis
Arti fotosintesis adalah proses penyusunan atau pembentukan dengan menggunakan energi cahaya atau foton. Sumber energi cahaya alami adalah matahari yang memiliki spektrum cahaya infra merah (tidak kelihatan), merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dan ultra ungu (tidak kelihatan). Yang digunakan dalam proses fetosintesis adalah spektrum cahaya tampak, dari ungu sampai merah, infra merah dan ultra ungu tidak digunakan dalam fotosintesis. Dalam fotosintesis, dihasilkan karbohidrat dan oksigen, oksigen sebagai hasil sampingan dari fotosintesis, volumenya dapat diukur, oleh sebab itu untuk mengetahui tingkat produksi fotosintesis adalah dengan mengatur volume oksigen yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan. Untuk membuktikan bahwa dalam fotosintesis diperlukan energi cahaya matahari, dapat dilakukan percobaan Ingenhousz.
2. Pigmen Fotosintesis
Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik. Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya mengandung kloroplast yang mengandung klorofil / pigmen hijau yang merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari. Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda yang melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membran tersebut membentak suatu sistem membran tilakoid yang berwujud sebagai suatu bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung tilakoid tersebut dapat berlapis-lapis dan membentak apa yang disebut grana Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia
3
berlangsung dalam tilakoid, sedang pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintetis berlangsung di stroma.
Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan klorofil antara lain : 1. Gen, bila gen untuk klorofil tidak ada maka tanaman tidak akan memiliki klorofil. 2. Cahaya, beberapa tanaman dalam pembentukan klorofil memerlukan cahaya, tanaman lain tidak memerlukan cahaya. 3. Unsur N. Mg, Fe : merupakan unsur-unsur pembentuk dan katalis dalam sintesis klorofil. 4. Air, bila kekurangan air akan terjadi desintegrasi klorofil.
Pada tanun 1937 : Robin Hill mengemukakan bahwa cahaya matahari yang ditangkap oleh klorofil digunakan untak memecahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Peristiwa ini disebut fotolisis (reaksi terang). H2 yang terlepas akan diikat oleh NADP dan terbentuklah NADPH2, sedang O2 tetap dalam keadaan bebas. Menurut Blackman (1905) akan terjadi penyusutan CO2 oleh H2 yang dibawa oleh NADP tanpa menggunakan cahaya. Peristiwa ini disebut reaksi gelap NADPH2 akan bereaksi dengan CO2 dalam bentuk H+ menjadi CH20.
CO2 + 2 NADPH2 + O2 ————> 2 NADP + H2 + CO+ O + H2 + O2
Ringkasnya : Reaksi terang :2 H20 ——> 2 NADPH2 + O2 Reaksi gelap :CO2 + 2 NADPH2 + O2——>NADP + H2 + CO + O + H2 +O2 atau 2 H2O + CO2 ——> CH2O + O2 Atau 12 H2O + 6 CO2 ——> C6H12O6 + 6 O2
3. Kemosintesis
Tidak semua tumbuhan dapat melakukan asimilasi C menggunakan cahaya sebagai sumber energi. Beberapa macam bakteri yang tidak mempunyai klorofil dapat mengadakan asimilasi C dengan menggunakan 4
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: Nitrosomonas (NH4)2CO3 + 3 O2 ——————————> 2 HNO2 + CO2 + 3 H20 + Energi
Nitrosococcus
4. Sintesis Lemak
Lemak dapat disintesis dari karbohidrat dan protein, karena dalam metabolisme, ketiga zat tersebut bertemu di dalarn daur Krebs. Sebagian besar pertemuannya berlangsung melalui pintu gerbang utama siklus (daur) Krebs, yaitu Asetil Ko-enzim A. Akibatnya ketiga macam senyawa tadi dapat saling mengisi sebagai bahan pembentuk semua zat tersebut. Lemak dapat dibentuk dari protein dan karbohidrat, karbohidrat dapat dibentuk dari lemak dan protein dan seterusnya.
Sintesis Lemak dari Karbohidrat :Glukosa diurai menjadi piruvat ———> gliserol.
Glukosa diubah ———> gula fosfat ———> asetilKo-A ———> asam lemak. Gliserol + asam lemak ———> lemak.
Sintesis Lemak dari Protein:
Protein ————————> Asam Amino Protease
5
Sebelum terbentuk lemak asam amino mengalami deaminasi lebih dabulu, setelah itu memasuki daur Krebs. Banyak jenis asam amino yang langsung ke asam piravat ———> Asetil Ko-A. Asam amino Serin, Alanin, Valin, Leusin, Isoleusin dapat terurai menjadi Asam pirovat, selanjutnya asam piruvat ——> gliserol ——> fosfogliseroldehid Fosfogliseraldehid dengan asam lemak akan mengalami esterifkasi membentuk lemak. Lemak berperan sebagai sumber tenaga (kalori) cadangan. Nilai kalorinya lebih tinggi daripada karbohidrat. 1 gram lemak menghasilkan 9,3 kalori, sedangkan 1 gram karbohidrat hanya menghasilkan 4,1 kalori saja.
5. Sintesis Protein
Sintesis protein yang berlangsung di dalam sel, melibatkan DNA, RNA dan Ribosom. Penggabungan molekul-molekul asam amino dalam jumlah besar akan membentuk molekul polipeptida. Pada dasarnya protein adalah suatu polipeptida. Setiap sel dari organisme mampu untuk mensintesis protein-protein tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat terjadi karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting sebagai "pengatur sintesis protein". Substansi-substansi tersebut adalah DNA dan RNA.
D. Daur ATP
Seluruh energi ditubuh berasal dari molekul yang tinggi energi yaitu Adenosin Triphosphate (ATP) yang tertimbung diotot. Selama fungsi tubuh bekerja maka hidrolisis ATP harus terus berjalan. Diantara sel tubuh, sel otot merupakan sel yang terbanyak menimbun ATP. ATP diotot sekitar 4-6 milimol/kg otot, yang hanya cukup untuk aktifitas cepat dan berat selama 3-8 detik. Untuk aktifitas yang lebih lama otot memerlukan ATP melalui 3 sistem energi. Kinerja fisik memerlukan kombinasi dari ke 3 sistem energi, dimana kontribusinya tergantung dari intensitas dan lamanya kerja fisik yaitu sistem ATP-CP, Sistem glikolisis anaerobic dan sistem aerobic. Tubuh beraktifitas seperti mesin yang bergerak sendiri (automobile) dengan mengubah energi kimia menjadi energi mekanik. 6
Adenosin Triphosphate (ATP)
Semua energi dalam proses biologi berasal dari matahari. Sumber energi tidak dapat digunakan secara langsung tapi melalui proses metabolisme yaitu pemecahan zat gizi dari makanan (klorofil tanaman merubah energi yang diterimanya menjadi energi kimia: KH, protein dan lemak) yang memberi hasil akhir ATP + CO2 H2O. ATP merupakan senyawa kimia berenergi tinggi yang dapat langsung digunakan dalam proses biologis (konduksi saraf, transportasi ion, sekresi kelenjar, kontraksi dan rileksasi otot,dll) ATP terbentuk dari ADP dan Pi melalui fosforilasi yang dirangkaikan dengan proses oksidasi. Selanjutnya ATP yang terbentuk dialirkan ke proses reaksi biologis yang membutuhkan energi untuk hidrolisis menjadi ATP dan Pi sekaligus melepaskan energi yang dibutuhkan oleh proses biologis tersebut. Demikian seterusnya sehingga terjadilah daur ATP-ADP secara terus menerus.
Siklus ATP
Hidrolisis •
ATP –> ADP + Pi + 12.000 kalori
•
ADP –> AMP + Pi + 12.000 kalori
Pembentukan kembali •
AMP + Pi + 12.000 kalori –> ADP
•
ADP + Pi + 12.000 kalori –> ATP
Berlangsung secara mendaur –> Siklus ATP –> sistem energi.
E. Rantai Respirasi
Yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan. 1. Siklus Kreb
7
Siklus Krebs adalah proses utama kedua dalam reaksi pernafasan sel.
Siklus Krebs ini ditemukan oleh Hans Krebs (1900-1981). Reaksi pernafasan sel tersebut disebut juga sebagai daur asam sitrat atau daur asam trikarboksilat.
Tahapan Reaksi dalam Siklus Krebs Siklus Krebs terjadi di mitokondria dengan menggunakan bahan utama berupa asetil-CoA, yang dihasilkan dari proses dekarboksilasi oksidatif. Ada delapan tahapan utama yang terjadi selama siklus Krebs. 1.
Kondensasi
Kondensasi merupakan reaksi penggabungan molekul asetil-CoA dengan oksaloasetat membentuk asam sitrat. Enzim yang bekerja dalam reaksi ini adalah enzim asam sitrat sintetase. 2.
Isomerase sitrat
Tahapan ini dibantu oleh enzim aconitase, yang menghasilkan isositrat. 3.
Produksi CO2
Dengan bantuan NADH, enzim isositrat dehidrogenase akan mengubah isositra menjadi alfa-ketoglutarat. Satu molekul CO 2 dibebaskan setiap satu reaksi. 4.
Dekarboksilasi oksidatif kedua
Tahapan reaksi ini mengubah alfa-ketoglutara menjadi suksinil-CoA. Reaksi dikatalisasi oleh enzim alfa-ketoglutarat dehidrogenase. 5.
Fosforilasi tingkat substrat
8
Respirasi seluler juga menghasilkan ATP dari tahapan ini. Reaksi pembentukan ATP inilah yang dinamakan dengan fosforilasi, karena satu gugus posfat akan ditambahkan ke ADP menjadi ATP. Pada awalnya, suksinil-CoA akan diubah menjadi suksinat, dengan mengubah GDP + Pi menjadi GTP. GTP tersebut akan digunakan untuk membentuk ATP.
6.
Dehidrogenasi
Suksinat yang dihasilkan dari proses sebelumnya akan didehidrogenasi menjadi fumarat dengan bantuan enzim suksinat dehidrogenase. 7.
Hidrasi dan regenerasi oksaloasetat
Dua tahapan ini merupakan akhir dari Siklus Krebs. Hidrasi merupakan penambahan atom hidrogen pada ikatan ganda karbon (C=C) yang ada pada fumarat sehingga menghasilkan malat. Malat dehidrogenase mengubah malat menjadi
oksaloasetat.
Oksaloasetat
yang
dihasilkan
berfungsi
untuk
menangkap asetil-CoA, sehingga siklus Krebs akan terus berlangsung. Adapun hasil dari Siklus Krebs adalah ATP, FADH 2, NADH dan CO 2. Siklus akan menghasilkan 2 molekul CO 2, yang dilepaskan. Jumlah molekul NADH yang dihasilkan adalah 6 molekul, sedangkan FADH adalah 2 molekul. ATP yang diproduksi secara langsung ada sebanyak 2 molekul, yang merupakan hasil dari reaksi fosforilasi tingkat substrat. FADH2 dan NADH adalah molekul yang digunakan dalam tahapan transpor elektron. Setiap molekul NADH akan dioksidasi lewat transpor elektron sehingga menghasilkan 3 ATP per molekul, sedangkan satu molekul FADH 2 menghasilkan 2 molekul ATP.
2. Transfer Elektron
Tahap akhir dari respirasi aerob adalah sistem transpor elektron sering disebut juga sistem (enzim) sitokrom oksidase atau sistem rantai pernapasan yang berlangsung pada krista dalam mitokondria. Pada tahap ini melibatkan donor elektron, akseptor elektron, dan reaksi reduksi dan oksidasi ( redoks). Donor elektron adalah senyawa yang dihasilkan selama tahap glikolisis maupun siklus Krebs dan berpotensi untuk melepaskan elektron, yaitu NADH 2 dan FADH2. Akseptor elektron adalah senyawa yang berperan sebagai penerima elektron yang dilepaskan oleh donor elektron, yaitu enzim sitokrom dan Oksigen.
9
Sebanyak 10 molekul NADH 2 dan 2 molekul FADH 2 dihasilkan selama tahap glikolisis dan siklus Krebs. Seluruhnya akan memasuki reaksi redoks pada sistem transpor elektron. Setiap pelepasan elektron akan menghasilkan energi berupa ATP, 1 molekul NADH2 akan menghasilkan 3 molekul ATP, dan 1 molekul FADH 2 akan menghasilkan 2 molekul ATP.
Mula-mula molekul NADH2 memasuki reaksi dan dihidrolisis oleh enzim dehidrogenase diikuti molekul FADH2 yang dihidrolisis oleh enzim flavoprotein, keduanya melepaskan ion Hidrogen diikuti elektron, peristiwa ini disebut reaksi oksidasi.
Selanjutnya elektron ini akan ditangkap oleh Fe +++ sebagai akseptor elektron dan dikatalis oleh enzim sitokrom b, c, dan a. Peristiwa ini disebut reaksi reduksi. Reaksi reduksi dan oksidasi ini berjalan terus sampai elektron ini ditangkap oleh Oksigen (O2) sehingga berikatan dengan ion Hidrogen (H +) menghasilkan H 2O (air). Hasil akhir dari sistem transpor elektron ini adalah 34 molekul ATP, 6 molekul H 2O (air). Secara keseluruhan reaksi respirasi sel aerob menghasilkan 38 molekul ATP, 6 molekul H2O, dan 2 molekul CO 2.
10
