Proses Anabolisme Karbohidrat

C. Proses Anabolisme Karbohidrat

Setelah kita membahas reaksi katabolisme, selanjutnya akan dibahas reaksi penyusunan atau anabolisme. Reaksi anabolisme yang paling penting yaitu anabolisme karbohidrat yang dikenal dengan fotosintesis. Selain itu, akan

dibahas pula tentang Kemonsintesis karena pengubahan CO 2 (karbon anorganik) menjadi organik (karbohidrat) tidak harus selalu melalui proses fotosintesis.

1. Fotosintesis

Seluruh makhluk hidup di bumi secara langsung atau tidak langsung bergantung pada fotosintesis. Dalam peristiwa fotosintesis, karbon anorganik (CO 2 ) dan air akan diubah menjadi karbon organik (karbohidrat) yang merupakan senyawa dasar bagi pembentukan senyawa-senyawa utama yang berguna untuk menunjang kehidupan makhluk hidup. Di samping itu dalam reaksi fotosintesis juga dihasilkan oksigen yang merupakan unsur vital kehidupan. Reaksi fotosintesis dapat ditulis secara singkat sebagai berikut:

Cahaya matahari

2 +H CO 2 O ⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

(CH 2 O) n +nO 2 karbohidrat Klorofil

48 Biologi Kelas XII SMA dan MA

CH 2

CH – pada klorofil a 3 pada klorofil a CH H CHO pada klorofil b – pada klorofil b

C C C H 2 C C C C C CH 2 CH 3

cincin porfirin cincin perfirin C N

Fotosintesis terutama dapat

C O OCH 3 dilakukan oleh tumbuhan hijau di

H C H samping oleh alga dan beberapa bakteri. Pada tumbuhan tinggi, organ

H C utama yang melakukan fotosintesis

C CH 3 adalah daun. Dilihat dari reaksi pada

H C H fotosintesis, daun selain membutuhkan CO 2 dan air, juga harus mengandung

H C H klorofil dan pigmen lain sebagai penangkap energi cahaya matahari

H C H untuk diubah menjadi energi kimia

H C CH 3 dalam bentuk senyawa organik. Pigmen fotosintesis pada tum-

H C H buhan tinggi digolongkan menjadi

H C H dua golongan, yaitu klorofil dan karo- tenoid (terdiri atas karoten dan

H C CH 3 xantofil). Klorofil menyerap cahaya

H C H matahari pada panjang gelombang tertentu, bergantung pada jenis

H C H klorofilnya. Struktur kimia dari molekul klorofil dapat dilihat pada

H C H Gambar 2.11.

H C CH 3 CH 3 Gambar 2.11 Struktur kimia molekul klorofil

Sumber: Essentials of Biology, Hopson

Metabolisme

Klorofil sebagai salah satu komponen penting dalam fotosintesis, terdapat pada sel daun dan tersimpan pada organel yang disebut kloroplas. Kloroplas terdiri atas beberapa bagian, yaitu grana yang tersusun atas tumpukan membran tilakoid dan struktur seperti jeli yang ada di sekitar grana dan disebut stroma (perhatikan lagi bab tentang sel). Karena klorofil berada di kloroplas, maka peristiwa fotosintesis adalah terjadi pada organ tersebut. Fotosintesis terjadi pada kloroplas dalam dua tahap reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.

Sebelum dijelaskan tentang reaksi terang dan reaksi gelap, terlebih dahulu akan dibahas tentang beberapa hal penting yang berkaitan dengan kedua reaksi tersebut.

a. Peran Pigmen dalam Fotosintesis Pigmen fotosintesis pada tumbuhan tinggi digolongkan menjadi dua

golongan, yaitu klorofil dan karotenoid (terdiri atas karoten dan xantofil). Klorofil merupakan pigmen utama yang diperlukan dalam fotosintesis.

Klorofil menyerap cahaya merah dan ungu biru sehingga terlihat hijau karena warna tersebutlah yang dipantulkan. Spektrum cahaya yang diserap klorofil dapat berbeda-beda bergantung pada jenis klorofilnya (perhatikan Gambar 2.12).

klorofil a klorofil b

panjang gelombang

Sumber: Essentials of Biology, Hopson

Gambar 2.12 Spektrum absorpsi klorofil a, b, dan karotenoid

50 Biologi Kelas XII SMA dan MA

Dari penjelasan di atas, dapat dikatakan bahwa pigmen berperan dalam menangkap cahaya matahari. Selanjutnya cahaya matahari yang ditangkap dalam bentuk foton akan digunakan oleh sistem yang ada dalam fotosintesis untuk menjalankan reaksi. Apa yang sebenarnya terjadi, jika energi foton dari matahari ditangkap oleh pigmen?

Pigmen adalah senyawa kimia yang dapat menyerap/mengabsorpsi cahaya tampak. Cahaya yang terserap merupakan sesuatu yang mengandung energi tinggi. Karena energinya yang tinggi, foton (yang terkandung dalam cahaya) dapat menyebabkan terlemparnya elektron yang ada pada pigmen, dan elektron yang terlempar disebut sebagai elektron yang berada pada keadaan tereksitasi. Dalam keadaan tersebut, elektron berada dalam kondisi yang tidak stabil dan menyimpan energi yang tinggi. Untuk menstabilkan dirinya, elektron yang tereksitasi akan berusaha kembali ke keadaan semula sambil melepaskan energinya.

Pada reaksi terang, pigmen yang tereksitasi akan kehilangan elektron, sehingga menghasilkan molekul yang bermuatan positif, seperti terlihat pada reaksi:

Klorofil ⎛⎛⎛⎛∅ klorofil + (bentuk teroksidasi) + e -

energi matahari

Elektron yang dilepaskan dalam peristiwa tersebut kemudian akan ditangkap oleh molekul lain yang disebut penangkap elektron atau akseptor elektron. Dalam hal ini klorofil ada dalam bentuk teroksidasi dan akseptor elektron menjadi senyawa yang tereduksi. Dalam hal ini klorofil dapat juga disebut sebagai donor elektron.

b. Unit-Unit Fotosintetik dan Pusat Reaksi Unit-unit fotosintetik terdapat dalam membran tilakoid pada grana dari

sebuah kloroplas. Unit fotosintetik terdiri atas sejumlah klorofil a, klorofil b, dan karotenoid yang masing-masing mempunyai klorofil a khusus sebagai pusat reaksi. Dalam membran tilakoid terdapat dua tipe unit fotosintetik, yaitu fotosistem I dan II (PSI dan PSII). PSI disebut juga P700 dan PSII disebut P680 (sesuai puncak absorpsi panjang gelombang yang diserapnya).

Fotosistem mengandung kumpulan pigmen tambahan yang akan melakukan energi foton yang ditangkapnya menuju molekul pigmen utama dan molekul ini disebut pusat reaksi. Pada pusat reaksi, energi yang ditangkap dari cahaya digunakan untuk menjalankan reaksi. Jadi, di sinilah energi cahaya diubah menjadi energi kimia sehingga pusat reaksi dapat disebut pusat pengubah energi dalam fotosintesis.

Metabolisme Metabolisme

di bawah ini.

H 2 O PS II

PS I

2e – NADP 2– NADPH 2 1/2 O 2 + 2H +

2e kl a

2e akseptor

Sumber: Biological Science, Green

Reaksi terang adalah reaksi yang terjadi pada membran tilakoid grana, yang akan menghasilkan ATP dari ADP+fosfat (fosforilasi) dan NADPH 2 dari NADP. Pembentukan ATP pada reaksi terang menggunakan energi matahari (foton) sehingga peristiwanya disebut fotofosforilasi. Dalam reaksi terang juga

dibutuhkan hidrogen untuk mereduksi NADP menjadi NADPH 2 . Pada tumbuhan, hidrogen diperoleh dari pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen. Hasil reaksi terang selanjutnya akan digunakan dalam reaksi gelap. Perhatikan Gambar 2.13

tertinggi

2e – 2e –

NADP NADPH 2

2e –

2e 2H

– ADP+Pi

2e ATP

cahaya

rantai elekton carriers ADP+Pi ATP

2e – gi potensial

P700 2H +

Keterangan: fotosistem

aliran elektron nonsiklik

II –

2e - - > aliran elektron siklik

2e reaksi kimia lain

terendah x, y, z, akseptor ekstra

Sumber: Biological Science, Green

Gambar 2.13 Skema aliran elektron melalui PSII dan PSI pada reaksi terang

Jika cahaya (foton) mengenai PSII maupun PSI, energinya yang tinggi akan menyebabkan klorofil yang ada pada kedua fotosistem tersebut melepaskan elektron, menjadi klorofil + . Pada PSII, foton juga sekaligus menyebabkan pecahnya molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan

52 Biologi Kelas XII SMA dan MA 52 Biologi Kelas XII SMA dan MA

NADPH 2 . Elektron yang ditangkap oleh Y selain dapat ditangkap oleh NADP juga dapat kembali ke PSI. Selama pergerakan elektron dari akseptor X menuju PSI dan dari Y menuju PSI, energi yang dilepaskannya digunakan untuk memfosforilasi ADP menjadi ATP. Untuk setiap pasang elektron dapat dihasilkan 2 molekul ATP. Jadi, secara keseluruhan reaksi yang terjadi pada reaksi terang dapat ditulis:

H 2 1 O + NADP + 2ADP + 2Pi ——— 2 O

2 + NADPH 2 + 2ATP

d. Reaksi Gelap (Fiksasi CO 2 atau Siklus Calvin) Reaksi gelap adalah lanjutan dari reaksi terang dan terjadi pada stroma.

Pada reaksi tersebut energi berupa ATP dan molekul pereduksi NADPH 2 yang dihasilkan reaksi terang, digunakan untuk mereduksi/memfiksasi CO 2 . Pada reaksi gelap/siklus Calvin, CO 2 dan air dari lingkungan secara enzimatis direaksikan dengan suatu molekul akseptor yang mengandung 5 atom C (Ribulosa,1,5-bifosfat/RuBP) untuk membentuk 2 molekul antara

beratom C 3 yaitu asam fosfogliserat (PGA). Molekul antara ini kemudian direduksi untuk menghasilkan karbohidrat. Peristiwa tersebut juga dilengkapi dengan pembentukan kembali (regenerasi) molekul C 5 yang selanjutnya akan digunakan lagi untuk mengikat CO 2 yang masuk. Jadi, dalam siklus Calvin terdapat 3 tahap reaksi, yaitu:

a. Karboksilasi (pengambilan CO 2 ) oleh akseptor RuBP membentuk 2 molekul PGA yang mengandung 3 atom C.

b. Reduksi molekul PGA menjadi asam fosfogliseraldehid (PGAL) yang selanjutnya akan membentuk karbohidrat berupa glukosa, sukrosa, dan amilum.

c. Regenerasi (pembentukan kembali) akseptor CO 2 , yaitu RuBP, dari molekul PGAL. Proses ini diperlukan karena CO 2 terus-menerus dihasilkan dari reaksi terang sehingga harus selalu tersedia senyawa yang dapat mengikatnya, yaitu RuBP.

Untuk lebih memperjelas hubungan antara ketiga tahap reaksi tersebut, kamu dapat memerhatikan Gambar 2.14.

Metabolisme

ADP 1 Karboksilasi

Tiga tahap

Regenerasi

3 pada siklus

3-fosfogliseral

Calvin

ATP + NADPH ATP

2 Reduksi

Triosa fosfat

ADP + Pi

Sukrosa

Sumber: Biological Science, Green

Gambar 2.14 Hubungan tiga tahapan reaksi yang terjadi pada siklus Calvin secara ringkas

Dari uraian di atas, secara singkat dapat dituliskan reaksi yang terjadi pada siklus Calvin adalah sebagai berikut.

2 NADPH 2 2 NADP

Sumber: Biological Science, Green

Gambar 2.15 Reaksi singkat siklus Calvin

Dari uraian di atas, dapat dikatakan bahwa reaksi terang berhubungan langsung dengan reaksi gelap untuk menghasilkan suatu produk, yaitu karbohidrat yang merupakan senyawa utama penyusun senyawa-senyawa vital untuk kehidupan organisme.

54 Biologi Kelas XII SMA dan MA

2. Kemosintesis

Pengubahan CO 2 (karbon anorganik) menjadi karbon organik (karbohidrat) tidak harus selalu melalui proses fotosintesis, energi diambil dari energi cahaya (foton). Beberapa organisme, seperti bakteri, mampu

memfiksasi CO 2 menjadi karbohidrat dengan menggunakan sumber energi lain, yaitu energi kimia. Organisme semacam ini disebut organisme kemosintetik. Pada organisme kemosintetik, energi diambil dari oksidasi materi anorganik seperti hidrogen, hidrogen sulfida, sulfur (belerang), besi (Fe), amonia dan nitrit. Beberapa contoh reaksi yang dilakukan oleh beberapa macam bakteri untuk memperoleh energi yang selanjutnya digunakan untuk

memfiksasi CO 2 dapat dilihat di bawah ini.

1. Bakteri besi (misalnya Leptothrix)

oksigen

Fe 2+ ⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅ Fe 3+ + energi

2. Bakteri sulfur tak berwarna (misalnya Thiobacillus)

Oksigen atau 2–

S ⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅

SO 4 + energi

Nitral

3. Bakteri Nitrifikasi oksigen +

NH –

4 ⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅ NO 3 + energi (misalnya pada Nitrosomonas) amonium nitrit

oksigen NH –

2 ⎛⎛⎛⎛⎛⎛∅ NO 3 + energi (misalnya Nitrobacter) Bakteri kemosintetik berperan penting di alam karena dapat menjaga

kesuburan tanah melalui aktivitasnya dalam daur nitrogen. Kemosintesis adalah reaksi pembentukan karbohidrat dari CO 2 dan air tanpa menggunakan energi matahari sebagai sumber energi, tetapi menggunakan energi dari reaksi kimia. Kemosintesis dapat dilakukan oleh bakteri kemosintetik.