OGB Ferdy S Rondonuwu Karotenoid dari pigmen Full text
Yang terhormat,
•
Koordinator Kopertis Wilayah VI Jawa Tengah,
•
Ketua dan Sekretaris Pembina, Pengawas dan Pengurus Yayasan
Perguruan Tinggi Kristen Satya Wacana,
•
Rektor dan Pembantu Rektor Universitas Kristen Satya Wacana,
•
Senator Universitas Kristen Satya Wacana,
•
Dekan, Wakil Dekan dan Kaprogdi serta pimpinan unit di UKSW,
•
Bapak/lbu dosen dan pegawai,
•
Para mahasiswa yang saya cintai,
•
Para tamu undangan.
Salam sejahtera untuk kita semua.
Pertama-tama perkenankan saya mengucapkan syukur kepada Tuhan
Yang Maha Kuasa, karena hanya berkat dan kemurahan-Nya kita semua
boleh berada di tempat ini dan saya boleh berdiri di sini dengan sukacita.
Adalah suatu kehormatan bagi saya ketika Universitas Kristen Satya
Wacana memberi kesempatan kepada saya untuk menyampaikan pidato
pengukuhan jabatan fungsional akademik guru besar (profesor) dalam
bidang ilmu fisika.
Saya menyadari bahwa guru besar atau profesor adalah jabatan
akademik tertinggi dalam karir seorang dosen. Adalah mustahil untuk
meraihnya tanpa cam pur tangan Tuhan melalui orang-orang yang dipilihNya. Oleh sebab itu, perkenankan saya menyampaikanterima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
•
Seluruh keluarga saya, terlebih istri saya Helti beserta anak-anak
kami Novenadya Angela dan Nathanael Ito yang selalu setia
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
mendukung saya bukan hanya dalam masa-masa senang tapi
juga dalam masa-masa sulit, terlebih ketika saya harus
meninggalkan mereka selama tugas belajar ataupun tugas saya
sebagai dosen.
•
Para Guru saya dari SO sampai SMA dan para dosen semasa
saya kuliah.
•
Promotor saya Prof. Yasutaka Watanabe dan Prof. Yasushi
Koyama di KGU-Jepang serta sahabat saya yaitu Prof. liang-Ping
Zhang dari Chinese Academy of Science, China. Mereka semua
yang telah membawa saya mengembara dalam dunia
fotosintesis.
•
Bapak Willy Toisuta yang meminta saya untuk tetap tinggal
berkarya di UKSW ketika saya selesai kuliah S1 di UKSW tahun
1992, bapak John Titaley yang mendorong dan menopang say a
dalam menyelesaikan seluruh proses pengusulan berkas guru
besar, bapak Kris H. Timotius dan bapak John J. 0. I. lhalauw,
yang mendukung saya selama studi.
•
Semua staf dosen di Fakultas Sains dan Matematika serta
Program Studi Magister Biologi.
•
Seluruh mahasiswa yang telah mendedikasikan waktu dan
energinya selama melakukan riset bersama saya.
Hadirin yang saya hormati:
Menurut data dari Renewables Energy Policy Network for 21'1 Century
(REN21) dalam Renewables 2012 Global Status Report bahwa 81 persen
konsumsi energi dunia saat ini berasal dari energi fosil yaitu batubara,
minyak bumi dan gas. Energi fosil itulah yang kita gunakan untuk
melakukan hampir seluruh aktivitas manusia, mulai dari penerangan,
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri12013
'
transportasi, proses produksi, internet, komunikasi
telpon, bahkan
mungkin berfoya-foya. Semua 'kemewahan', yang kita nikmati itu dan
bahkan makanan yang kita makan sehari-hari untuk mempertahankan
kelangsungan hid up ha nya mungkin tersedia melalui suatu proses yaitu
fotosintesis. Fotosintesis adalah proses penangkapan cahaya oleh
organisme fotosintetik dan melalui serangkaian reaksi redoks, cahaya
itu diubah menjadi glukosa dan energi lain yang lebih stabil sehingga
dapat tersimpan jutaan tahun lamanya.
Terdapat dua komponen utama yang menjadi syarat perlu suatu proses
fotosintesis berlangsung. Salah satu dari kedua komponen itu adalah
karotenoid. Komponen lainnya adalah klorofil. Hanya melalui pikmenpikmen itulah energi matahari dapat dikonversi menjadi energi
berkualitas tinggi untuk kehidupan di bumi. Energi matahari yang sampai
ke bumi luar biasa besarnya. Diperkirakanjumlah energi matahari yang
mencapai permukaan bumi dalam satu jam saja setara dengan konsumsi
energi dunia selama satu tahun. Oleh karena itu, sebagai penghubung
vital antara energi matahari dan semua kehidupan di bumi maka
dipandang sangat esensial untuk memahami kelakuan dan fungsi
fisiologi pikmen tesebut.
Apa itu karotenoid?
Pemahaman yang mendalam tentang karotenoid memerlukan dedikasi
dari banyak ilmuwan dan memakan waktu puluhan bahkan ratusan
tahun lamanya. Karotenoid pertama kali diisolasi tahun 1831 oleh
Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder meskipun baru pada tahun
1906-1911 dapat dimurnikan dengan penemuan kromatografi oleh
Tswett. Kemajuan ini mendorong R. Wilsstatter bekerja keras dalam
bidang kimia karotenoid yang akhirnya membawanya menerima hadiah
Nobel tahun 1915. Paul Karrer {1937) dan Richard Kuhn {1938) juga
memperoleh hadiah nobel karena usahanya menemukan struktur dan
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
kimia karotenoid. Setelah itu sejumlah ilmuwan ternama dari berbagai
disiplin ilmu bekerja keras dan mendedikasikan waktu serta pikirannya
untuk memahami kelakuan karotenoid.
Karotenoid adalah kelompok pikmen yang menghasilkan aneka warna.
Pikmen itulah yang memberikan warna ungu, merah, oranye dan kuning
pada daun, buah, bunga dan akar. Nama karotenoid berasal dari kata
carrot (wortel, Daucus carota). Warna oranye pada wortel tidak lain
adalah P-karoten (salah satu dari ratusan keluarga karotenoid). Contoh
lain karotenoid adalah likopen dan astaksantin. Likopen menyebabkan
tomat berwarna merah kekuning-kuningan sedangkan astaksantin
menyebabkan warna oranye yang biasanya nampak pada udang dan
kepiting. Pada daun, kartenoid tersamar oleh warna hijau klorofil.
Namun, seiring dengan proses penuaan daun, klorofil akan hancur dan
kehilangan warnanya sedangkan karotenoid tetap bertahan sehingga
warnanya semakin dominan dengan urutan penampakan mulai dari
kuning lalu berangsur-angsur menjadi merah atau sebaliknya.
Ketersediaan karotenoid di alam san gat berlimpah baik dari segi jumlah
maupun jenisnya. Karotenoid dapat dijumpai pada daun, buah-bahan,
akar bahkan mikro organisme fotosintetik. Pada wortel terdapat 10-50
miligram karotenoid (utamanya P-karoten) sedangkan pada mangga
terdapat 5-6 miligram karotenoid dan pada pepaya terdapat 1-2 miligram
karotenoid setiap kilogram berat mentahnya [1]. Likopen banyak
terdapat pada tomat. Setiap 1 kgtomat mengandung 50-100 miligram
likopen. Saat ini terdapat lebih dari 700 macam karotenoid yang berhasil
disintesis meskipun baru sekitar 200-an jenis karotenoid alamiah
(biosynthesized) berhasil ditemukan [2].
Karotenoid bukan sekedar pewarna namun memiliki kandungan nutrisi
dan antioksidan. p-karoten sangat penting karena sifatnya sebagai
provitamin A. Tubuh manusia, mampu mengubah secara ensimatik P-
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri/2013
karoten menjadi vitamin A. Oleh sebab itu pemenuhan vitamin A dapat
dilakukan dengan cara mengkonsumsi p-karoten dari sayur atau buahbuahan. Salah satu keuntungan mengkonsumsi karotenoid ketimbang
vitamin A adalah terkendalinya penumpukan vitamin A dalam jaringan
tubuh. Vitamin A akan terakumulasi ketika dikonsumsi secara berlebihan.
Sayangnya akumulasi ini memberi dampak negatif. Diketahui bahwa
kelebihan vitamin A akan bersifat racun. Mengkonsumsi sekali dalam
dosis besar (> 0,7 mmol, 200 mg, 660 000 IU oleh orang dewasa atau
separuhnya untuk anak-anak} menyebabkan efek akut seperti mual,
muntah, sa kit kepala, dan penglihatan kabur. Dengan dosis yang sangat
tinggi (500 mg} dan dikonsumsi secara terus-menerus menyebabkan
kerusakan tulang dan hati [3]. Dalam tubuh manusia, P-karoten
dikonversi menjadi vitamin A dengan jumlah yang sesuai kebutuhan.
Selanjutnya sisa P-karoten akan terbuang keluar tubuh.
Penyakit-penyakit degeneratif seperti kanker utamanya dipicu oleh stres
oksidatif dan serangan radikal be bas pad a struktur sel oleh spesis-spesis
oksigen reaktif (ROS} yang meliputi 1 0 2, OH", 0 2 "- dan H2 0 2 • ROS tidak
dapat dihindari secara permanen karena selalu dihasilkan oleh tubuh
man usia. Oksigen singlet dalam keadaan eksitasi (10 2 *} sangat reaktif
dan karenanya paling berbahaya di antara ROS. Jadi satu-satunya cara
menghindari kerusakan sel karena serangan ROS itu adalah memotong
rantai propagasi dengan pemadaman (quench} atau penyantapan
(scavenge} ROS tersebut dengan menggunakan substansi yang disebut
antioksidan.
Karotenoid adalah antioksidan yang mampu memotong rantai propagasi
oksidatif melalui mekanisme pertukaran energi eksitasi (quenching
mechanism}. Oksigen dalam keadaan eksitasi dengan konfigurasi singlet
mempertukarkan energi melalui tumbukan resonansi dalam bentangan
pendek dengan karotenoid singlet yang energinya masih berada pada
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
keadaan dasar. Akibatnya oksigen dalam keadaan eksitasi kembali ke
keadaan dasar dengan membalikkan arah spin elektron. Total spin akhir
(s) oksigen ini adalah s=1 atau disebut triplet (2s+1 = 3, untuk s=1). Di
sisi lain, karotenoid akan menerima energi eksitasi singlet dengan cara
tereksitasi sambil bermanufer membalikkan spin 1 elektron agar spin
total sistem kekal. Akibatnya spin karotenoid berubah dari X+ (-X)= 0
(singlet) menjadi X+ X= 1 (triplet). Syarat mekanisme ini berlangsung
adalah bahwa energi relatif karotenoid (kar) harus sedikit lebih rendah
daripada energi eksitasi singlet. Secara sederhana proses terse but dapat
dituliskan melalui reaksi:
Oksigen triplet dan karotenoid triplet adalah spesis yang tidak sensitif
terhadap keberlanjutan rantai oksidatif stress. Energi triplet tersebut
dapat didisipasikan menjadi kalor yang sama sekali aman terhadap
sistem biologi. Karotenoidjuga berinteraksi dengan radikal bebas dengan
3 cara berbeda yaitu melalui (1) mekanisme transfer ｾ･ｫｴｲｯｮＬ＠
(2)
abstraksi hidrogen dan (3) adisi (lihat pustaka [4]).
Penelitian-penelitian yang lebih lanjut memang masih diperlukan untuk
menunjukkan secara meyakinkan bahwa karotenoid dapat mencegah
kanker meskipun bukti-bukti yang diperoleh secara epidemolog telah
menunjukkan indikasi bahwa mengkonsumsi karotenoid melalui tomat
sebagai bagian dari diet berkorelasi positif terhadap kecilnya jumlah
kasus penderita kanker [5].
Struktur Energi dan Dinamika Karotenoid
Meskipun manfaat karotenoid semakin jelas namun dinamika terinci
tentang interaksi karotenoid dengan cahaya serta peran fisiologinya di
luar fotosintesis masih kabur. Aplikasi karotenoid yang lebih luas
membutuhkan informasi yang mendalam tentang struktur dan dinamika
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April 2013
karotenoid 'bebas' maupun 'terikat' pada' kompleks pikmen-protein.
Dalam konteks inilah karakterisasi karotenoid secara fisika menjadi
penting.
Struktur dasar karotenoid terdiri dari delapan unit isoprenoid
hidrokarbon C40 yang tergandeng menyerupai rantai karbon dengan
ikatan rangkap (C=C) dan ikatan tunggal (C-C) tertata dengan urutan
sa ling bergantian. Sifat optik karotenoid ditentukan oleh jumlah ikatan
rangkap karbon yang berturutan itu atau biasa disebut kromofor. Ciri
optik yang dapat diperoleh langsung dari kromofor adalah spektrum
serap yang menggambarkan interaksinya dengan cahaya. lnformasi ini
dapat diakses melalui spektroskopi serap keadaan tunak (steady-state
absorption spectroscopy).
C40 H58
nerosporen (n = 9)
C40 H56
C41 H580
likopen (n = 11)
anhidrorodovibrin (n = 12)
Gam bar 1. Struktur molekul dari lima jenis karotenoid yang
berbeda.
II
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Gam bar 1 menunjukkan lima macam struktur karotenoid dengan jumlah
ikatan rangkap (n) yang berbeda yaitu: nerosporen (n
=9), speroiden (n
=10), likopen (n =11), anhidrorodovibrin (n =12), dan spiriloksantin (n
= 13). Spektrum serap kelima karotenoid terse but pad a pel arut n-heksan
ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak spektrum akan bergeser secara
sistematik dari biru ke merah (bathochromic shift) ketika jumlah ikatan
rangkap (n) bertambah. lni berarti bahwa kita dapat menala (tuning)
warna yang diinginkan dengan memanipulasi jumlah ikatan rangkap (n).
Secara visual warna karotenoid pada pelarut organik ditunjukkan pada
Gambar 3, sedangkan karotenoid yang terikat pada pikmen-protein
dalam penyangga tris HCL ditunjukkan pad a Gambar 4. Penalaan warna
dapat diperluas dengan memanipulasi komposisi pelarut. Dengan
komposisi yang tepat, warna-warna karotenoid dapat diakses mulai dari
warna oranye kemerah-merahan sampai ungu tua.
________ ,...
400
500
Panjang gelombang (nm)
Gambar 2. Spektrum serapan elektronik karotenoid (dari atas ke
bawah) dengan n = 9- 11 pada pelarut n-heksan.
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
Gambar 3. Warna (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen,
speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin
pada pelarut n-heksan
Gambar 4. Warn a (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen,
speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin
pada penyangga tris HCL.
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Secara fisika, paling mudah memperlakukan karotenoid seperti rantai
karbon sederhana (poliena) yang taat pada sistem simetri C2 h.
Berdasarkan simetri tersebut tingkat energi singlet karotenoid yang
terkuantisasi dapat diklasifikasikan ke dalam kelompok k 1A g-, JlB u-, m 1A+
g
dan n 1 8 u-[6,7]. Superskrip '1' menandai keadaan-keadaan energi singlet;
+ dan - adalah tanda Pariser yang menyatakan simetri konfigurasi
elektronik; g (gerade) dan u (ungerade) mewakili varitasgenap dan ganjil
dari fungsi gelombang total; sedangkan k,
l m
dan n adalah urutan
kuantisasi singlet yang mempunyai kesamaan simetri mulai dari tingkat
yang terendah ke tinggi. Terkait dengan transisi optik foton tunggal dari
(keadaan dasar) yang taat pad a kaidah seleksi maka tingkat-tingkat
1 1Ag
and n 1 8dapat dikatagorikan sebagai transisi optik
energi m 1Ag
u
'dibolehkan' sedangkan tingkat energi k 1Aand JlBadalah transisi
g
u
optik 'dilarang'. Tingkat-tingkat energi singlet yang ditentukan dengan
pengukuran profil eksitasi resonansi Raman (RREPs) untuk karotenoid
yang memiliki n = 9-13 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 telah
didokumentasikan dengan baik [8-11]. Melalui eksperimen RREPs itu,
dua tingkat energi singlet 11 Bu-dan 31Ayang diprediksi secara teoritis
g
dari model rantai poliena berhasil diidentifikasi.
Selama hampir 20 tahun, penelitian-penelitian yang dilakukan untuk
memahami secara spesifik karakteristik fisis kedua tingkat energi singlet
terse but terhalang oleh dua hal; (1) kedua tingkat energi ini merupakan
keadaan 'gelap' dimana transisi eletronik dari keadaan dasar 11Ag
terlarang secara optik, (2) waktu hid up mereka sangat singkat sehingga
dinamikanya sulit ditelusuri. Penelitian-penelitian tersebut baru
memperoleh momentum ketika teknologi laser Ti:saphire berhasil
membangkitkan pulsa stabil sependek beberapa puluh femto detik (1
femto detik = 0,000000000000001 detik) sehingga mencapai tingkat
yang memuaskan untuk diaplikasikan pada eksperimen dengan
konfigurasi time resolved absorption. Kemajuan teknologi laser dengan
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
pulsa sependek inilah yang memungkinkan ditelusurinya kejadiankejadian pada proses awal fotosintesis.
Waktu yang diperlukan karotenoid menangkap foton cahaya dan
menyimpannya dalam bentuk energi eksitasi ternyata hanya beberapa
puluh pikodetik (1 pikodetik
=1000 femto detik). Menelusuri dengan
seksama proses sesingkat itu membutuhkan observasi konsekutif paling
sedikit 10 kali setiap 1 pikodetik, suatu interval waktu ultra singkatyang
membutuhkan peralatan ultra cepat.lnstrumen elektronik tercepat scrat
ini memiliki respons 1000 kali lebih lambat daripada yang diperlukan
untuk tujuan tersebut di atas. Oleh sebab itu rekayasa optika dan
kemajuan dalam teknologi laser seperti yang dijelaskan sebelumnya
mutlak diperlukan untuk membangun mesin spektroskopi serap pisah
waktu (time-resolved absorption spectroscopy). Sejumlah eksperimen
dengan spektroskopi ultra cepattersebut, dikombinasikan dengan teknik
analisis global menggunakan dekomposisi nilai-nilai singular,
membimbing kita sampai pada beberapa
ｩｮｦｯｲｭ｡ｳＬＭｰ･ｨｴｾ＠
tentang
skema konversi energi eksitasi secara internal pada karotenoid dan
mekanisme pembentukan keadaan triplet melalui reaksi fisi intramolekuler.
Secara singkat dinamika eksitasi energi singlet karotenoid dapat
digambarkan seperti pada Gam bar 5. Energi foton cahaya dapat diserap
ke
oleh karotenoid melalui transisi elektronik dari keadaan dasar 11Ag
keadaan eksitasi 11 Bu•. Keadaan eksitasi 11 Bu• bertahan selama beberapa
puluh femto detik. Energi tersebut selanjutnya didisipasikan menuju
tingkat energi 21Amelalui 11 B(dan 31Ag-) menggunakan mekanisme
g
u
konversi internal dan redistribusi vibrasi [10]. Segera setelah tingkat
energi 1 1 Bu- terpopulasi maka teramati pula bahwa karotenoid
melakukan silang inter sistem ke tingkat energi triplet. Artinya karotenoid
triplet dapat diinduksi dari tingkat energi singlet 1 1 Bu- melalui
mekanisme fisi intramolekuler [12], apalagi karotenoid all-trans yang
menyerupai rantai lurus itu mudah terpuntir. Fenomena ini tidak lazim
II
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
karena formasi triplet biasanya memerlukan dua atau lebih molekul
energetik yang sa ling bertumbukan. Tentu mekanisme ini secara praktis
sangat sulit terjadi dalam skala waktu kurang dari 1 pikodetik.
Singlet
Triplet
Gambar 5. Tingkat tenaga singlet dan triplet karotenoid dan jalan
disipasi energi eksitasi. (-) eksitasi karena serapan foton,
("···) konversi internal, (--) konversi singlet-triplet
(intersystem crossing)
Pada tingkat energi Ｒ Ｑ Ｌ＠ｾ
sebagian energi didisipasikan menuju keadaan
dasar melalui proses konversi internal dan sebagiannya lagi
didedikasikan untuk membentuk keadaan triplet [13]. Hasil ini memberi
petunjuk bagaimana karotenoid mentrasformasikan energinya pada
(bakterio)klorofil terdekat dalam kompleks pikmen-protein melalui
kanal-kanal tingkat energi donor Ｑ Ｑ ｾ＾ＫＬ＠Ｘ
11 Bu- dan 21AI1-. Diduga bahwa
tingkat-tingkat energi aktifdalam pembentukan karotenoid triplet adalah
llBu- dan Ｒ Ｑ Ｎ＠ｾ
Manipulasi tingkat-tingkat energi ini memberi informasi
penting pada efektivitas karotenoid dalam proses membendung
propagasi radikal bebas penyebab kanker itu.
Karotenoid Dalam Kompleks Pikmen-protein (Antena)
Oalam konteks fotosintesis, karotenoid memiliki dwi fungsi yaitu sebagai
(1) pemanen cahaya (light-harvester) dan (2) pelindung paparan sinar
Pidato Pengukuhan Guru Besar IUniversitas Kristen Satya Wacana ISalatiga, 10 April2013
matahari (photo-protector). Sebagai ｰ･ｾ｡ｮ＠
cahaya, karotenoid
menyerap cahaya pad a panjang gelombang 350-550 nm. Cahaya yang
diterima oleh karotenoid dipindahkan, dalam bentuk energi eksitasi, ke
(bakterio)klorofil dalam waktu kurang dari 1 nano detik. Sebagai
pelindung papa ran sinar matahari, karotenoid berfungsi mendisipasikan
ekses energi menjadi kalor [14].
Seringkali karotenoid tidak ditemukan 'bebas' dalam organisme
fotosintesis namun terikat secara non-kovalen pada dua macam
kompleks pikmen-protein yang dikenal dengan nama light-harvesting 1
(LH1) dan light-harvesing 2 (LH2). Pad a tumbuhan hijau, antena terse but
terkonsentrasi pada daun sedangkan pada bakteri terletak pada
membran sel.
Bakteri fotosintesis adalah model yang paling sederhana untuk
mendalami mekanisme panen cahaya. Bangun dasar LH2 terdiri dari
sepasang polipeptida-a dan
-13 yang mengandung tiga bakterioklorofil
(BChl) dan sebuah karotenoid yangterikat secara non-kovalen. Struktur
LH2 dari Rps. acidophila ditemukan, untuk pertama kalinya,
menggunakan kristalografi sinar-X dengan resolusi mencapai 2,4 A[15].
Beberapa saat kemudian ditemukan pula struktur untuk LH2 dan Rsp.
molischianum [16]. Struktur LH2 Rsp. molischianum ditunjukkan pada
Gambar 6. Struktur tersebut terdiri dari dua silinder sesumbu yang
dibentuk oleh enambelas heliks (warna biru dan ungu). Setiap satuan
pasangan mengikat dua macam BChl (semua berwarna hijau) yang
serapannya muncul pad a panjang gelombang 800 nm dan 850 nm. Oleh
karena itu, BChl tersebut berturut-turut disimbolkan dengan 'B800' dan
'B850'. Delapan buah molekul B800 tertata sedemikian rupa sehingga
bidang makrosikliknya hampir sejajar dengan bidang membran (bidang
permukaan halaman buku ini). Sebaliknya enam belas B850 membentuk
cincin di mana bidang makrosikliknya tertata tegak lurus pada bidang
lEI
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
membran. Molekul B850 dan B800 membentuk cincin dengan diameter
kira-kira 46A (pusat ke pusat BChl). Delapan buah karotenoid
all-trans
dengan sedikit memuntirterbentang di antara cincin B800 dan B850.
Gam bar 6. Struktur LH2 dari Rsp. molischianum (a) dilihat
dari arah tegak lurus bidang membran dan (b)
dilihat dari arah paralel bidang membran.
(Figures courtesy of Klaus Schulten).
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
Antena kompleks LH1 mirip tetapi jelas perbedaannya dengari LH2. LH1
memiliki ukuran cincin yang lebih besar dan mempunyai enambelas unit
polipeptida-a dan ＭｾＬ＠
masing-masing mengandung sekitar 50 asam
amino. Perbedaan mendasar dengan LH2 terletak pada hilangnya cincin
B800 dan hadirnya pusat reaksi (RC) di tengah-tengah cincin LH1. Akibat
dari hilangnya B800 dan besarnya ukuran cincin menimbulkan interaksi
kuat di antara BChl sehingga puncak serapan bergeser ke 880 nm (pada
LH2 serapan puncak ini adalah 850 nm). Diyakini bahwa LH1 dikelilingi
oleh LH2 tetapi tetapi polanya (keteraturan atau ketidakteraturan) belum
diketahui.
Transfer energi karotenoid ke BChl di dalam antena LH2 telah
teridentifikasi secara seksama dengan spektroskopi ultra cepat dan
didapati terdiri dari 3 kanal [17] yaitu: (1) karotenoid 11 Bu+ ｾ＠
(2) karotenoid 1 Bu- ｾ＠
BChl ｾ､｡ｮ＠
1
BChl ｾ＠
J
(3) karotenoid 2 A 8- ｾ＠ BChl '\· Secara
1
skematik kanal-kanal transfer energi tersebut ditunjukkan pada Gam bar
7 untuk LH2 dari Rhodobacter sphaerodes G1C yang mengandung
= 9) Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 yang
mengandung karotenoid speroiden (n = 10) dan Rhodospirillum
molischianum yang mengandung karotenoid likopen (n =11).
karotenoid nerosporen (n
l'Bu·
i
l 'B,·
ｾ＠
I
'''
1:
'
I'
I
2' A ·
9
l'Bu--..: _ _ Q
:I
'
:
t
I
I
I
:
--...._,_Q
: ,
:
'
_l_
I
I
I
I
I
I
I
l'A 9·
!
Bchl
Karotenoid
(a)
•
ｾ＠
''
118;
'
1
:'
___..!
Q,
'
I'
I
'I
•: ｾＭＧ｡＠
I
2'A
•
I
'
l 'A ·
•
I
I
'
y
I
:
:
_j_
Bchl
Karotenoid
(b)
Gambar 7. Skema tingkat tenaga relatif karotenoid dan BChl dalam LH2 dari
(a) Rhb. sphaeroides GlC dan 2.4.1 dengan kanal transfer tenaga
menurun dan (b) Rps. Molischianum dengan kanal transfertenaga
menanjak.
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil pada ketiga
macam fotosintetik bakteri tersebut turun dari 92 persen untuk
nerosporen dalam Rhb. sphaerodes G1C ke 89 persen untuk speroiden
dalam Rhb. sphaerodes 2.4.1 sedangkan likopen dalam Rsp.
molischianum turun secara drastis menjadi 53 persen. Jika diamati dari
skema tingkat energi ketiga jenis karotenoid tersebut didapati bahwa
likopen memiliki energi singlet karotenoid 11 Bu-relatif lebih rendah
daripada energi singlet bakterioklorofil
O.· Selanjutnya, energi singlet
1
karotenoid 2 Alebih rendah daripada energi singlet bakterioklorofil
g
ｾﾷ＠
Kanal-kanal ini mengalami transfer energi mendaki. Transfer energi
mendaki tidak dapat terjadi secara spontan sehingga kanal ini secara
dalam proses transfer energi
praktis tertutup. Jadi keterlibatan 11 Bu
tergantungjumlah ikatan rangkap rantai kromofor karotenoid (n): Ketika
n =9 dan 10, keadaan energi PB"- berfungsi sebagai donor yang efisien.
Tingkat energi 11 B"- pada n = 11 jelas tidak terlibat dalam proses transfer
energi. Untuk meyakinkan bahwa keterlibatan 11 B"-tergantung panjang
rantai kromofor karotenoid maka dilakukan rekayasa LH1 dengan cara
rekonstitusi [18]. Dalam proses rekonstitusi ini LH1 tanpa karotenoid
diisolasi terlebih dahulu dari bakteri Rhb. spaheroides R26.1. Selanjutnya,
secara satu persatu karotenoid dengan n yang berbeda diikatkan pada
LHl. Dengan demikian, varia bel karotenoid terhadap antena kompleks
yang identik dapat secara seksama dianalisis. Hasil anal isis menggunakan
spektroskopi ultra cepat mendukung hipotesis bahwa tingkat energi 11 Busecara meyakinkan bertanggung
jawab terhadap kendali
dan 2 1Ag
.
efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil.
Migrasi energi pada unit-unit fotosintesis bakteri ungu terjadi dalam
urutan hirarki, membentuk kaskade, sehingga energi eksitasi karotenoid
terkonsentrasi menuju pusat reaksi melalui cincin LH2 dan LHl. Transfer
energi eksitasi melibatkan proses intrakompleks antara karotenoid dan
BChl dalam LH2 dan antarkompleks LH2 dan LHl. Transfer energi
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
intrakompleks pada LH1 dan LH2 sendiri terjadi pada skala waktu subpikodetik sampai beberapa puluh pikodetik sedangkan transfer energi
antarkompleks LH2 ke LH1 terjadi pada skala waktu beberapa ratus
pikodetik. Transfer energi antar LH2 tentu saja terjadi namun sulit
ditentukan karena miripnya spektrum antar LH2.
Sel Surya Bio
Selama milyaran tahun organisme fotosintesis melakukan adaptasi agar
konversi cahaya pad a fotosintesis mencapai sempurna dengan efisiensi
yang spektakuler seperti pad a kasus antena LH 1 dan LH2. Melalui antena
tersebut cahaya diserap menjadi energi eksitasi yang digunakan untuk
menghasilkan elektron bebas pada pusat-pusat reaksi. Elektron bebas
tersebut selanjutnya membangkitkan gradien potensiallintas membran
yang siap mengalirkan arus listrik untuk memutar "rotor" ATP penghasil
glukosa dan karbohidrat. Jadi, pada hakekatnya fotosintesis adalah
"mesin" yang mengubah energi cahaya menjadi listrik.
Bayangkan jika kita mengumpulkan daun yang rontok atau rumput di
halaman rumah, menghubungkannya dengan diva is khusus menggunakan
kabel, membiarkannya terkena sinar matahari dan 'klik' ... menghasilkan
listrik untuk keperluan rumah tangga! Begitulah kira-kira mimpi besar
para ilmuwan di seluruh dunia yang mendedikasikan waktu dan pikirannya
dalam bidang fotosintesis.
Usaha untuk meniru sel surya berbasis komponen fotosintesis sudah
dimulai. Sekelompok peneliti [19] mencoba mengamati bahwa elektron
dari karotenoid dapat diinjeksikan pada partikel nano Ti0 2 yang sengaja
diletakkan di tengah cincin LH2. Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa
karotenoid dalam bentuk asam dapat menginjeksikan elektron secara
langsung pada partikel nano Ti0 2 [20,21]. Gratzel sebelumnya telah
mengembangkan sel surya tersintesis pewarna (dye-sensitized solar cell
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
- DSSC) yaitu sebuah konsep sel surya yang memanfaatkan pewarna
(dyes) sebagai pemanen cahaya [22]. Diperkirakan bahwa karotenoid
dapat diaplikasikan pada sel surya Gratzel untuk meningkatkan angka
efisiensi konversi cahaya menjadi listrik [23]. Keunggulan dari sel surya
bio yang berbasis karotenoid adalah bahwa rekombinasi muatan yang
menjadi masalah khas sel surya konvensional tidak terjadi pada sel surya
bio ini. Alasan lain adalah bahwa kebanyakan sel surya konvensional
dan kuantum dot sekalipun lambat dalam konversi energi cahaya
menjadi listrik karena tidak dapat memanfaatkan seluruh spektrum sinar
matahari. Sel surya bio lebih 'hijau' dan sederhana dalam fabrikasi
sehingga lebih terjangkau. Yang masih menjadi kendala utama sel surya
bio berbasis karotenoid adalah fotodegradasi.
Masalah Degradasi
Sebagai kromofor, tentu karotenoid harus sensitif terhadap paparan
cahaya. Karotenoid intak pada antena memiliki mekanisme redistribusi
dan transfer energi eksitasi di dalam antena berbentuk cincin (rantai
tak hingga) sehingga waktu rata-rata setiap molekul karotenoid
'menyimpan' energi foton jauh lebih singkat. Jika karotenoid dalam
keadaan 'bebas' maka energi foton harus 'disimpan' lebih lama sehingga
rantai tersebut akan mengalami vibrasi lebih lama pula dan dapat
menyebabkan putusnya rantai tersebut. Fotodegradasi terjadi cukup
cepat jika terus menerus terpapar cahaya dengan panjang gelombang
300- 550 nm (violet sampai hijau) karena persis bersesuaian dengan
resonansi elektroniknya. Jika hal itu terjadi maka karotenoid akan
mengalami perubahan konfigurasi geometri dari
trans- (lurus) menjadi
cis-karotenoid (bertekuk) dan dalam keadaan ekstrim akan terpenggal
menjadi rantai-rantai pendek. Akibat langsung degradasi terse but adalah
pudarnya warna serta mengurangi kemampuan karotenoid sebagai
protektor UV pada kosmetik, provitamin A dan antioksidan serta tidak
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana ISalatiga, 10 Apri12013
'
memungkinkan untuk menyerap cahaya pad a bentangan spektrum sinar
matahari.
Karotenoid sangat sensitif dan labil terhadap temperatur, terutama
ketika tidak terikat pada membran. Temperatur karotenoid perlu dijaga
cukup rendah selama proses ekstraksi dan penyimpanan ataupun
pengolahan makanan. Tingginya temperatur karotenoid, misalnya sa at
proses pemasakan (penggorengan atau perebusan), dapat menyebabkan
kerusakan karotenoid lebih dari SO persen. Pemanasan sampai 200°C
(suhu minyak goreng saat proses penggorengan adalah antara 1S02S00C) selama beberapa menit cukup untuk menghancurkan seluruh
karotenoid yang ada [1].
Peluang dan Tantangan Karotenoid
Karotenoid sa at ini telah banyak digunakan sebagai pewarna alam pad a
makanan maupun kosmetik. Untuk maksud itu saja, industri karotenoid
telah mencapai nilai jual tahunan melampaui 300 juta dollar AS.
Kapasitas produksi 13-karoten saja mencapai SOO ton per tahun hanya
oleh dua produsen utama Hoffmann-La Roche AG dan BASF f:..G [24].
Seiring dengan gencarnya kampanye produk-produk ramah lingkungan,
termasuk di dalamnya pewarna, yang menghendaki agar suatu produk
dapat mengalami biodegradasi maka pewarna alamiah semakin
mendapat perhatian di berbagai industri percetakan dan tekstil. lndustri
tersebut mulai beralih ke penggunaan pewarna-pewarna alamiah yang
lebih ramah lingkungan [2S]. Dengan demikian permintaan akan
pewarna alamiah di masa datang akan terus meningkat. Jika kita
memperhatikan kandungan 13-karoten yang masih tersisa pada proses
akhir produksi minyak goreng dari kelapa sawit saja maka dipastikan
produksi secara komersial 13-karoten pad a skala industri dari bah an baku
'sampah' kelapa sawit itu pantas untuk dilirik.
Q-
?
"
_
.
S
a
5
?r
a>
'
a
S7
"
"
Karctencid. Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
S
£
ÿ -T
3
C
&
ÿ&
Si
.
n>
fD
O
fD
3
ÿ
3
o
m
3
00
o
a;
a
ÿ
"
_
3
O
c
v
3
5
3
n
-
o
_
2
3
Q
dan teliti serta berdedikasi. Oleh sebab itu aplikasinya tidak dapat secara
£
a>
0J
cn
o>
3
z
QJ
fD
0
.
-
ÿ
a
QJ
3
D
ID
3
Q
B
f?
"
r*
cr
era
_
CU
{/>
t/>
QJ
a*
v>
a
O
3
a>
Q
D
"
C
A
fD
£
"
.
7T
"
D
3
sempittertuju pada komersialisasi jangka pendekdanpewarna saja agar
,
.
r+
3T
fD
3
a
.
L/k
C
77
C
3
O
q>
o
3
cu
3
c
o;
"
QJ
S
3
a>
3
3
a>
3
oa
_
Q
3
_
77
&>
O
tidak menghambat kemajuan sains karotenoid itu sendiri.
3
Q
cv
rt»
t
f
fD
a>
a
3T
a>
.
"
.
-
.
.
_
a>
o
V
o
r
o
a>
3
ea
fD
3
QJ
3
D
fD
c
C
"
OJ
Cl
Q
Jika dahulu perielitian tentang karotenoid fokus pada ketersediaan,
3
fD
3
fD
3
fD
3
ea
T
r
O
O
3
fD
>
r
4
p4
o
QJ
ÿ
t/>
n
QJ
V>
0
a
0
ÿ
a
-
"
S
c
fD
3
0
O
r+
karotenoid itu diproduksisecara bioteknologi, mekanisme kerja sebagai
/>
QJ
<
/>
C
D
V
J
J
V
<
1
3
t
obat dan substarisi preventif penyakit, rekayasa sel surya berbasis
fotosintesis ramah lingkunganyang efisien dan stabil dan lain sebagainya.
Jika potensi karotenoid ini disadari sepenuhnya dengan pola pikiryang
rasional maka studi-studi fundamental menyangkut biosintesis,
modifikasi genetik, interaksi karotenoid dengan protein in vivo serta,
biofisika molekuler, bioelektrik, kimia antioksidanadalahsangat esensial.
Studi-studi tentang karotenoid memerlukan pendekatan interdisipliner
dari ilmuwan-ilmuwan dari berbagai cabang ilmu.
Scientific principles and laws do not lie on the surface of nature. They
"
are hidden, and must be wrested from nature by an active and
elaborate technique of inquiry.
"
~
John Dewey.
sebab...
"
The earth has music for those who listen."' George Santayana
Terima kasih
20
I
•
Koordinator Kopertis Wilayah VI Jawa Tengah,
•
Ketua dan Sekretaris Pembina, Pengawas dan Pengurus Yayasan
Perguruan Tinggi Kristen Satya Wacana,
•
Rektor dan Pembantu Rektor Universitas Kristen Satya Wacana,
•
Senator Universitas Kristen Satya Wacana,
•
Dekan, Wakil Dekan dan Kaprogdi serta pimpinan unit di UKSW,
•
Bapak/lbu dosen dan pegawai,
•
Para mahasiswa yang saya cintai,
•
Para tamu undangan.
Salam sejahtera untuk kita semua.
Pertama-tama perkenankan saya mengucapkan syukur kepada Tuhan
Yang Maha Kuasa, karena hanya berkat dan kemurahan-Nya kita semua
boleh berada di tempat ini dan saya boleh berdiri di sini dengan sukacita.
Adalah suatu kehormatan bagi saya ketika Universitas Kristen Satya
Wacana memberi kesempatan kepada saya untuk menyampaikan pidato
pengukuhan jabatan fungsional akademik guru besar (profesor) dalam
bidang ilmu fisika.
Saya menyadari bahwa guru besar atau profesor adalah jabatan
akademik tertinggi dalam karir seorang dosen. Adalah mustahil untuk
meraihnya tanpa cam pur tangan Tuhan melalui orang-orang yang dipilihNya. Oleh sebab itu, perkenankan saya menyampaikanterima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
•
Seluruh keluarga saya, terlebih istri saya Helti beserta anak-anak
kami Novenadya Angela dan Nathanael Ito yang selalu setia
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
mendukung saya bukan hanya dalam masa-masa senang tapi
juga dalam masa-masa sulit, terlebih ketika saya harus
meninggalkan mereka selama tugas belajar ataupun tugas saya
sebagai dosen.
•
Para Guru saya dari SO sampai SMA dan para dosen semasa
saya kuliah.
•
Promotor saya Prof. Yasutaka Watanabe dan Prof. Yasushi
Koyama di KGU-Jepang serta sahabat saya yaitu Prof. liang-Ping
Zhang dari Chinese Academy of Science, China. Mereka semua
yang telah membawa saya mengembara dalam dunia
fotosintesis.
•
Bapak Willy Toisuta yang meminta saya untuk tetap tinggal
berkarya di UKSW ketika saya selesai kuliah S1 di UKSW tahun
1992, bapak John Titaley yang mendorong dan menopang say a
dalam menyelesaikan seluruh proses pengusulan berkas guru
besar, bapak Kris H. Timotius dan bapak John J. 0. I. lhalauw,
yang mendukung saya selama studi.
•
Semua staf dosen di Fakultas Sains dan Matematika serta
Program Studi Magister Biologi.
•
Seluruh mahasiswa yang telah mendedikasikan waktu dan
energinya selama melakukan riset bersama saya.
Hadirin yang saya hormati:
Menurut data dari Renewables Energy Policy Network for 21'1 Century
(REN21) dalam Renewables 2012 Global Status Report bahwa 81 persen
konsumsi energi dunia saat ini berasal dari energi fosil yaitu batubara,
minyak bumi dan gas. Energi fosil itulah yang kita gunakan untuk
melakukan hampir seluruh aktivitas manusia, mulai dari penerangan,
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri12013
'
transportasi, proses produksi, internet, komunikasi
telpon, bahkan
mungkin berfoya-foya. Semua 'kemewahan', yang kita nikmati itu dan
bahkan makanan yang kita makan sehari-hari untuk mempertahankan
kelangsungan hid up ha nya mungkin tersedia melalui suatu proses yaitu
fotosintesis. Fotosintesis adalah proses penangkapan cahaya oleh
organisme fotosintetik dan melalui serangkaian reaksi redoks, cahaya
itu diubah menjadi glukosa dan energi lain yang lebih stabil sehingga
dapat tersimpan jutaan tahun lamanya.
Terdapat dua komponen utama yang menjadi syarat perlu suatu proses
fotosintesis berlangsung. Salah satu dari kedua komponen itu adalah
karotenoid. Komponen lainnya adalah klorofil. Hanya melalui pikmenpikmen itulah energi matahari dapat dikonversi menjadi energi
berkualitas tinggi untuk kehidupan di bumi. Energi matahari yang sampai
ke bumi luar biasa besarnya. Diperkirakanjumlah energi matahari yang
mencapai permukaan bumi dalam satu jam saja setara dengan konsumsi
energi dunia selama satu tahun. Oleh karena itu, sebagai penghubung
vital antara energi matahari dan semua kehidupan di bumi maka
dipandang sangat esensial untuk memahami kelakuan dan fungsi
fisiologi pikmen tesebut.
Apa itu karotenoid?
Pemahaman yang mendalam tentang karotenoid memerlukan dedikasi
dari banyak ilmuwan dan memakan waktu puluhan bahkan ratusan
tahun lamanya. Karotenoid pertama kali diisolasi tahun 1831 oleh
Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder meskipun baru pada tahun
1906-1911 dapat dimurnikan dengan penemuan kromatografi oleh
Tswett. Kemajuan ini mendorong R. Wilsstatter bekerja keras dalam
bidang kimia karotenoid yang akhirnya membawanya menerima hadiah
Nobel tahun 1915. Paul Karrer {1937) dan Richard Kuhn {1938) juga
memperoleh hadiah nobel karena usahanya menemukan struktur dan
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
kimia karotenoid. Setelah itu sejumlah ilmuwan ternama dari berbagai
disiplin ilmu bekerja keras dan mendedikasikan waktu serta pikirannya
untuk memahami kelakuan karotenoid.
Karotenoid adalah kelompok pikmen yang menghasilkan aneka warna.
Pikmen itulah yang memberikan warna ungu, merah, oranye dan kuning
pada daun, buah, bunga dan akar. Nama karotenoid berasal dari kata
carrot (wortel, Daucus carota). Warna oranye pada wortel tidak lain
adalah P-karoten (salah satu dari ratusan keluarga karotenoid). Contoh
lain karotenoid adalah likopen dan astaksantin. Likopen menyebabkan
tomat berwarna merah kekuning-kuningan sedangkan astaksantin
menyebabkan warna oranye yang biasanya nampak pada udang dan
kepiting. Pada daun, kartenoid tersamar oleh warna hijau klorofil.
Namun, seiring dengan proses penuaan daun, klorofil akan hancur dan
kehilangan warnanya sedangkan karotenoid tetap bertahan sehingga
warnanya semakin dominan dengan urutan penampakan mulai dari
kuning lalu berangsur-angsur menjadi merah atau sebaliknya.
Ketersediaan karotenoid di alam san gat berlimpah baik dari segi jumlah
maupun jenisnya. Karotenoid dapat dijumpai pada daun, buah-bahan,
akar bahkan mikro organisme fotosintetik. Pada wortel terdapat 10-50
miligram karotenoid (utamanya P-karoten) sedangkan pada mangga
terdapat 5-6 miligram karotenoid dan pada pepaya terdapat 1-2 miligram
karotenoid setiap kilogram berat mentahnya [1]. Likopen banyak
terdapat pada tomat. Setiap 1 kgtomat mengandung 50-100 miligram
likopen. Saat ini terdapat lebih dari 700 macam karotenoid yang berhasil
disintesis meskipun baru sekitar 200-an jenis karotenoid alamiah
(biosynthesized) berhasil ditemukan [2].
Karotenoid bukan sekedar pewarna namun memiliki kandungan nutrisi
dan antioksidan. p-karoten sangat penting karena sifatnya sebagai
provitamin A. Tubuh manusia, mampu mengubah secara ensimatik P-
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri/2013
karoten menjadi vitamin A. Oleh sebab itu pemenuhan vitamin A dapat
dilakukan dengan cara mengkonsumsi p-karoten dari sayur atau buahbuahan. Salah satu keuntungan mengkonsumsi karotenoid ketimbang
vitamin A adalah terkendalinya penumpukan vitamin A dalam jaringan
tubuh. Vitamin A akan terakumulasi ketika dikonsumsi secara berlebihan.
Sayangnya akumulasi ini memberi dampak negatif. Diketahui bahwa
kelebihan vitamin A akan bersifat racun. Mengkonsumsi sekali dalam
dosis besar (> 0,7 mmol, 200 mg, 660 000 IU oleh orang dewasa atau
separuhnya untuk anak-anak} menyebabkan efek akut seperti mual,
muntah, sa kit kepala, dan penglihatan kabur. Dengan dosis yang sangat
tinggi (500 mg} dan dikonsumsi secara terus-menerus menyebabkan
kerusakan tulang dan hati [3]. Dalam tubuh manusia, P-karoten
dikonversi menjadi vitamin A dengan jumlah yang sesuai kebutuhan.
Selanjutnya sisa P-karoten akan terbuang keluar tubuh.
Penyakit-penyakit degeneratif seperti kanker utamanya dipicu oleh stres
oksidatif dan serangan radikal be bas pad a struktur sel oleh spesis-spesis
oksigen reaktif (ROS} yang meliputi 1 0 2, OH", 0 2 "- dan H2 0 2 • ROS tidak
dapat dihindari secara permanen karena selalu dihasilkan oleh tubuh
man usia. Oksigen singlet dalam keadaan eksitasi (10 2 *} sangat reaktif
dan karenanya paling berbahaya di antara ROS. Jadi satu-satunya cara
menghindari kerusakan sel karena serangan ROS itu adalah memotong
rantai propagasi dengan pemadaman (quench} atau penyantapan
(scavenge} ROS tersebut dengan menggunakan substansi yang disebut
antioksidan.
Karotenoid adalah antioksidan yang mampu memotong rantai propagasi
oksidatif melalui mekanisme pertukaran energi eksitasi (quenching
mechanism}. Oksigen dalam keadaan eksitasi dengan konfigurasi singlet
mempertukarkan energi melalui tumbukan resonansi dalam bentangan
pendek dengan karotenoid singlet yang energinya masih berada pada
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
keadaan dasar. Akibatnya oksigen dalam keadaan eksitasi kembali ke
keadaan dasar dengan membalikkan arah spin elektron. Total spin akhir
(s) oksigen ini adalah s=1 atau disebut triplet (2s+1 = 3, untuk s=1). Di
sisi lain, karotenoid akan menerima energi eksitasi singlet dengan cara
tereksitasi sambil bermanufer membalikkan spin 1 elektron agar spin
total sistem kekal. Akibatnya spin karotenoid berubah dari X+ (-X)= 0
(singlet) menjadi X+ X= 1 (triplet). Syarat mekanisme ini berlangsung
adalah bahwa energi relatif karotenoid (kar) harus sedikit lebih rendah
daripada energi eksitasi singlet. Secara sederhana proses terse but dapat
dituliskan melalui reaksi:
Oksigen triplet dan karotenoid triplet adalah spesis yang tidak sensitif
terhadap keberlanjutan rantai oksidatif stress. Energi triplet tersebut
dapat didisipasikan menjadi kalor yang sama sekali aman terhadap
sistem biologi. Karotenoidjuga berinteraksi dengan radikal bebas dengan
3 cara berbeda yaitu melalui (1) mekanisme transfer ｾ･ｫｴｲｯｮＬ＠
(2)
abstraksi hidrogen dan (3) adisi (lihat pustaka [4]).
Penelitian-penelitian yang lebih lanjut memang masih diperlukan untuk
menunjukkan secara meyakinkan bahwa karotenoid dapat mencegah
kanker meskipun bukti-bukti yang diperoleh secara epidemolog telah
menunjukkan indikasi bahwa mengkonsumsi karotenoid melalui tomat
sebagai bagian dari diet berkorelasi positif terhadap kecilnya jumlah
kasus penderita kanker [5].
Struktur Energi dan Dinamika Karotenoid
Meskipun manfaat karotenoid semakin jelas namun dinamika terinci
tentang interaksi karotenoid dengan cahaya serta peran fisiologinya di
luar fotosintesis masih kabur. Aplikasi karotenoid yang lebih luas
membutuhkan informasi yang mendalam tentang struktur dan dinamika
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April 2013
karotenoid 'bebas' maupun 'terikat' pada' kompleks pikmen-protein.
Dalam konteks inilah karakterisasi karotenoid secara fisika menjadi
penting.
Struktur dasar karotenoid terdiri dari delapan unit isoprenoid
hidrokarbon C40 yang tergandeng menyerupai rantai karbon dengan
ikatan rangkap (C=C) dan ikatan tunggal (C-C) tertata dengan urutan
sa ling bergantian. Sifat optik karotenoid ditentukan oleh jumlah ikatan
rangkap karbon yang berturutan itu atau biasa disebut kromofor. Ciri
optik yang dapat diperoleh langsung dari kromofor adalah spektrum
serap yang menggambarkan interaksinya dengan cahaya. lnformasi ini
dapat diakses melalui spektroskopi serap keadaan tunak (steady-state
absorption spectroscopy).
C40 H58
nerosporen (n = 9)
C40 H56
C41 H580
likopen (n = 11)
anhidrorodovibrin (n = 12)
Gam bar 1. Struktur molekul dari lima jenis karotenoid yang
berbeda.
II
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Gam bar 1 menunjukkan lima macam struktur karotenoid dengan jumlah
ikatan rangkap (n) yang berbeda yaitu: nerosporen (n
=9), speroiden (n
=10), likopen (n =11), anhidrorodovibrin (n =12), dan spiriloksantin (n
= 13). Spektrum serap kelima karotenoid terse but pad a pel arut n-heksan
ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak spektrum akan bergeser secara
sistematik dari biru ke merah (bathochromic shift) ketika jumlah ikatan
rangkap (n) bertambah. lni berarti bahwa kita dapat menala (tuning)
warna yang diinginkan dengan memanipulasi jumlah ikatan rangkap (n).
Secara visual warna karotenoid pada pelarut organik ditunjukkan pada
Gambar 3, sedangkan karotenoid yang terikat pada pikmen-protein
dalam penyangga tris HCL ditunjukkan pad a Gambar 4. Penalaan warna
dapat diperluas dengan memanipulasi komposisi pelarut. Dengan
komposisi yang tepat, warna-warna karotenoid dapat diakses mulai dari
warna oranye kemerah-merahan sampai ungu tua.
________ ,...
400
500
Panjang gelombang (nm)
Gambar 2. Spektrum serapan elektronik karotenoid (dari atas ke
bawah) dengan n = 9- 11 pada pelarut n-heksan.
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
Gambar 3. Warna (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen,
speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin
pada pelarut n-heksan
Gambar 4. Warn a (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen,
speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin
pada penyangga tris HCL.
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Secara fisika, paling mudah memperlakukan karotenoid seperti rantai
karbon sederhana (poliena) yang taat pada sistem simetri C2 h.
Berdasarkan simetri tersebut tingkat energi singlet karotenoid yang
terkuantisasi dapat diklasifikasikan ke dalam kelompok k 1A g-, JlB u-, m 1A+
g
dan n 1 8 u-[6,7]. Superskrip '1' menandai keadaan-keadaan energi singlet;
+ dan - adalah tanda Pariser yang menyatakan simetri konfigurasi
elektronik; g (gerade) dan u (ungerade) mewakili varitasgenap dan ganjil
dari fungsi gelombang total; sedangkan k,
l m
dan n adalah urutan
kuantisasi singlet yang mempunyai kesamaan simetri mulai dari tingkat
yang terendah ke tinggi. Terkait dengan transisi optik foton tunggal dari
(keadaan dasar) yang taat pad a kaidah seleksi maka tingkat-tingkat
1 1Ag
and n 1 8dapat dikatagorikan sebagai transisi optik
energi m 1Ag
u
'dibolehkan' sedangkan tingkat energi k 1Aand JlBadalah transisi
g
u
optik 'dilarang'. Tingkat-tingkat energi singlet yang ditentukan dengan
pengukuran profil eksitasi resonansi Raman (RREPs) untuk karotenoid
yang memiliki n = 9-13 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 telah
didokumentasikan dengan baik [8-11]. Melalui eksperimen RREPs itu,
dua tingkat energi singlet 11 Bu-dan 31Ayang diprediksi secara teoritis
g
dari model rantai poliena berhasil diidentifikasi.
Selama hampir 20 tahun, penelitian-penelitian yang dilakukan untuk
memahami secara spesifik karakteristik fisis kedua tingkat energi singlet
terse but terhalang oleh dua hal; (1) kedua tingkat energi ini merupakan
keadaan 'gelap' dimana transisi eletronik dari keadaan dasar 11Ag
terlarang secara optik, (2) waktu hid up mereka sangat singkat sehingga
dinamikanya sulit ditelusuri. Penelitian-penelitian tersebut baru
memperoleh momentum ketika teknologi laser Ti:saphire berhasil
membangkitkan pulsa stabil sependek beberapa puluh femto detik (1
femto detik = 0,000000000000001 detik) sehingga mencapai tingkat
yang memuaskan untuk diaplikasikan pada eksperimen dengan
konfigurasi time resolved absorption. Kemajuan teknologi laser dengan
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
pulsa sependek inilah yang memungkinkan ditelusurinya kejadiankejadian pada proses awal fotosintesis.
Waktu yang diperlukan karotenoid menangkap foton cahaya dan
menyimpannya dalam bentuk energi eksitasi ternyata hanya beberapa
puluh pikodetik (1 pikodetik
=1000 femto detik). Menelusuri dengan
seksama proses sesingkat itu membutuhkan observasi konsekutif paling
sedikit 10 kali setiap 1 pikodetik, suatu interval waktu ultra singkatyang
membutuhkan peralatan ultra cepat.lnstrumen elektronik tercepat scrat
ini memiliki respons 1000 kali lebih lambat daripada yang diperlukan
untuk tujuan tersebut di atas. Oleh sebab itu rekayasa optika dan
kemajuan dalam teknologi laser seperti yang dijelaskan sebelumnya
mutlak diperlukan untuk membangun mesin spektroskopi serap pisah
waktu (time-resolved absorption spectroscopy). Sejumlah eksperimen
dengan spektroskopi ultra cepattersebut, dikombinasikan dengan teknik
analisis global menggunakan dekomposisi nilai-nilai singular,
membimbing kita sampai pada beberapa
ｩｮｦｯｲｭ｡ｳＬＭｰ･ｨｴｾ＠
tentang
skema konversi energi eksitasi secara internal pada karotenoid dan
mekanisme pembentukan keadaan triplet melalui reaksi fisi intramolekuler.
Secara singkat dinamika eksitasi energi singlet karotenoid dapat
digambarkan seperti pada Gam bar 5. Energi foton cahaya dapat diserap
ke
oleh karotenoid melalui transisi elektronik dari keadaan dasar 11Ag
keadaan eksitasi 11 Bu•. Keadaan eksitasi 11 Bu• bertahan selama beberapa
puluh femto detik. Energi tersebut selanjutnya didisipasikan menuju
tingkat energi 21Amelalui 11 B(dan 31Ag-) menggunakan mekanisme
g
u
konversi internal dan redistribusi vibrasi [10]. Segera setelah tingkat
energi 1 1 Bu- terpopulasi maka teramati pula bahwa karotenoid
melakukan silang inter sistem ke tingkat energi triplet. Artinya karotenoid
triplet dapat diinduksi dari tingkat energi singlet 1 1 Bu- melalui
mekanisme fisi intramolekuler [12], apalagi karotenoid all-trans yang
menyerupai rantai lurus itu mudah terpuntir. Fenomena ini tidak lazim
II
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
karena formasi triplet biasanya memerlukan dua atau lebih molekul
energetik yang sa ling bertumbukan. Tentu mekanisme ini secara praktis
sangat sulit terjadi dalam skala waktu kurang dari 1 pikodetik.
Singlet
Triplet
Gambar 5. Tingkat tenaga singlet dan triplet karotenoid dan jalan
disipasi energi eksitasi. (-) eksitasi karena serapan foton,
("···) konversi internal, (--) konversi singlet-triplet
(intersystem crossing)
Pada tingkat energi Ｒ Ｑ Ｌ＠ｾ
sebagian energi didisipasikan menuju keadaan
dasar melalui proses konversi internal dan sebagiannya lagi
didedikasikan untuk membentuk keadaan triplet [13]. Hasil ini memberi
petunjuk bagaimana karotenoid mentrasformasikan energinya pada
(bakterio)klorofil terdekat dalam kompleks pikmen-protein melalui
kanal-kanal tingkat energi donor Ｑ Ｑ ｾ＾ＫＬ＠Ｘ
11 Bu- dan 21AI1-. Diduga bahwa
tingkat-tingkat energi aktifdalam pembentukan karotenoid triplet adalah
llBu- dan Ｒ Ｑ Ｎ＠ｾ
Manipulasi tingkat-tingkat energi ini memberi informasi
penting pada efektivitas karotenoid dalam proses membendung
propagasi radikal bebas penyebab kanker itu.
Karotenoid Dalam Kompleks Pikmen-protein (Antena)
Oalam konteks fotosintesis, karotenoid memiliki dwi fungsi yaitu sebagai
(1) pemanen cahaya (light-harvester) dan (2) pelindung paparan sinar
Pidato Pengukuhan Guru Besar IUniversitas Kristen Satya Wacana ISalatiga, 10 April2013
matahari (photo-protector). Sebagai ｰ･ｾ｡ｮ＠
cahaya, karotenoid
menyerap cahaya pad a panjang gelombang 350-550 nm. Cahaya yang
diterima oleh karotenoid dipindahkan, dalam bentuk energi eksitasi, ke
(bakterio)klorofil dalam waktu kurang dari 1 nano detik. Sebagai
pelindung papa ran sinar matahari, karotenoid berfungsi mendisipasikan
ekses energi menjadi kalor [14].
Seringkali karotenoid tidak ditemukan 'bebas' dalam organisme
fotosintesis namun terikat secara non-kovalen pada dua macam
kompleks pikmen-protein yang dikenal dengan nama light-harvesting 1
(LH1) dan light-harvesing 2 (LH2). Pad a tumbuhan hijau, antena terse but
terkonsentrasi pada daun sedangkan pada bakteri terletak pada
membran sel.
Bakteri fotosintesis adalah model yang paling sederhana untuk
mendalami mekanisme panen cahaya. Bangun dasar LH2 terdiri dari
sepasang polipeptida-a dan
-13 yang mengandung tiga bakterioklorofil
(BChl) dan sebuah karotenoid yangterikat secara non-kovalen. Struktur
LH2 dari Rps. acidophila ditemukan, untuk pertama kalinya,
menggunakan kristalografi sinar-X dengan resolusi mencapai 2,4 A[15].
Beberapa saat kemudian ditemukan pula struktur untuk LH2 dan Rsp.
molischianum [16]. Struktur LH2 Rsp. molischianum ditunjukkan pada
Gambar 6. Struktur tersebut terdiri dari dua silinder sesumbu yang
dibentuk oleh enambelas heliks (warna biru dan ungu). Setiap satuan
pasangan mengikat dua macam BChl (semua berwarna hijau) yang
serapannya muncul pad a panjang gelombang 800 nm dan 850 nm. Oleh
karena itu, BChl tersebut berturut-turut disimbolkan dengan 'B800' dan
'B850'. Delapan buah molekul B800 tertata sedemikian rupa sehingga
bidang makrosikliknya hampir sejajar dengan bidang membran (bidang
permukaan halaman buku ini). Sebaliknya enam belas B850 membentuk
cincin di mana bidang makrosikliknya tertata tegak lurus pada bidang
lEI
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
membran. Molekul B850 dan B800 membentuk cincin dengan diameter
kira-kira 46A (pusat ke pusat BChl). Delapan buah karotenoid
all-trans
dengan sedikit memuntirterbentang di antara cincin B800 dan B850.
Gam bar 6. Struktur LH2 dari Rsp. molischianum (a) dilihat
dari arah tegak lurus bidang membran dan (b)
dilihat dari arah paralel bidang membran.
(Figures courtesy of Klaus Schulten).
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
Antena kompleks LH1 mirip tetapi jelas perbedaannya dengari LH2. LH1
memiliki ukuran cincin yang lebih besar dan mempunyai enambelas unit
polipeptida-a dan ＭｾＬ＠
masing-masing mengandung sekitar 50 asam
amino. Perbedaan mendasar dengan LH2 terletak pada hilangnya cincin
B800 dan hadirnya pusat reaksi (RC) di tengah-tengah cincin LH1. Akibat
dari hilangnya B800 dan besarnya ukuran cincin menimbulkan interaksi
kuat di antara BChl sehingga puncak serapan bergeser ke 880 nm (pada
LH2 serapan puncak ini adalah 850 nm). Diyakini bahwa LH1 dikelilingi
oleh LH2 tetapi tetapi polanya (keteraturan atau ketidakteraturan) belum
diketahui.
Transfer energi karotenoid ke BChl di dalam antena LH2 telah
teridentifikasi secara seksama dengan spektroskopi ultra cepat dan
didapati terdiri dari 3 kanal [17] yaitu: (1) karotenoid 11 Bu+ ｾ＠
(2) karotenoid 1 Bu- ｾ＠
BChl ｾ､｡ｮ＠
1
BChl ｾ＠
J
(3) karotenoid 2 A 8- ｾ＠ BChl '\· Secara
1
skematik kanal-kanal transfer energi tersebut ditunjukkan pada Gam bar
7 untuk LH2 dari Rhodobacter sphaerodes G1C yang mengandung
= 9) Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 yang
mengandung karotenoid speroiden (n = 10) dan Rhodospirillum
molischianum yang mengandung karotenoid likopen (n =11).
karotenoid nerosporen (n
l'Bu·
i
l 'B,·
ｾ＠
I
'''
1:
'
I'
I
2' A ·
9
l'Bu--..: _ _ Q
:I
'
:
t
I
I
I
:
--...._,_Q
: ,
:
'
_l_
I
I
I
I
I
I
I
l'A 9·
!
Bchl
Karotenoid
(a)
•
ｾ＠
''
118;
'
1
:'
___..!
Q,
'
I'
I
'I
•: ｾＭＧ｡＠
I
2'A
•
I
'
l 'A ·
•
I
I
'
y
I
:
:
_j_
Bchl
Karotenoid
(b)
Gambar 7. Skema tingkat tenaga relatif karotenoid dan BChl dalam LH2 dari
(a) Rhb. sphaeroides GlC dan 2.4.1 dengan kanal transfer tenaga
menurun dan (b) Rps. Molischianum dengan kanal transfertenaga
menanjak.
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
Efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil pada ketiga
macam fotosintetik bakteri tersebut turun dari 92 persen untuk
nerosporen dalam Rhb. sphaerodes G1C ke 89 persen untuk speroiden
dalam Rhb. sphaerodes 2.4.1 sedangkan likopen dalam Rsp.
molischianum turun secara drastis menjadi 53 persen. Jika diamati dari
skema tingkat energi ketiga jenis karotenoid tersebut didapati bahwa
likopen memiliki energi singlet karotenoid 11 Bu-relatif lebih rendah
daripada energi singlet bakterioklorofil
O.· Selanjutnya, energi singlet
1
karotenoid 2 Alebih rendah daripada energi singlet bakterioklorofil
g
ｾﾷ＠
Kanal-kanal ini mengalami transfer energi mendaki. Transfer energi
mendaki tidak dapat terjadi secara spontan sehingga kanal ini secara
dalam proses transfer energi
praktis tertutup. Jadi keterlibatan 11 Bu
tergantungjumlah ikatan rangkap rantai kromofor karotenoid (n): Ketika
n =9 dan 10, keadaan energi PB"- berfungsi sebagai donor yang efisien.
Tingkat energi 11 B"- pada n = 11 jelas tidak terlibat dalam proses transfer
energi. Untuk meyakinkan bahwa keterlibatan 11 B"-tergantung panjang
rantai kromofor karotenoid maka dilakukan rekayasa LH1 dengan cara
rekonstitusi [18]. Dalam proses rekonstitusi ini LH1 tanpa karotenoid
diisolasi terlebih dahulu dari bakteri Rhb. spaheroides R26.1. Selanjutnya,
secara satu persatu karotenoid dengan n yang berbeda diikatkan pada
LHl. Dengan demikian, varia bel karotenoid terhadap antena kompleks
yang identik dapat secara seksama dianalisis. Hasil anal isis menggunakan
spektroskopi ultra cepat mendukung hipotesis bahwa tingkat energi 11 Busecara meyakinkan bertanggung
jawab terhadap kendali
dan 2 1Ag
.
efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil.
Migrasi energi pada unit-unit fotosintesis bakteri ungu terjadi dalam
urutan hirarki, membentuk kaskade, sehingga energi eksitasi karotenoid
terkonsentrasi menuju pusat reaksi melalui cincin LH2 dan LHl. Transfer
energi eksitasi melibatkan proses intrakompleks antara karotenoid dan
BChl dalam LH2 dan antarkompleks LH2 dan LHl. Transfer energi
II
Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013
intrakompleks pada LH1 dan LH2 sendiri terjadi pada skala waktu subpikodetik sampai beberapa puluh pikodetik sedangkan transfer energi
antarkompleks LH2 ke LH1 terjadi pada skala waktu beberapa ratus
pikodetik. Transfer energi antar LH2 tentu saja terjadi namun sulit
ditentukan karena miripnya spektrum antar LH2.
Sel Surya Bio
Selama milyaran tahun organisme fotosintesis melakukan adaptasi agar
konversi cahaya pad a fotosintesis mencapai sempurna dengan efisiensi
yang spektakuler seperti pad a kasus antena LH 1 dan LH2. Melalui antena
tersebut cahaya diserap menjadi energi eksitasi yang digunakan untuk
menghasilkan elektron bebas pada pusat-pusat reaksi. Elektron bebas
tersebut selanjutnya membangkitkan gradien potensiallintas membran
yang siap mengalirkan arus listrik untuk memutar "rotor" ATP penghasil
glukosa dan karbohidrat. Jadi, pada hakekatnya fotosintesis adalah
"mesin" yang mengubah energi cahaya menjadi listrik.
Bayangkan jika kita mengumpulkan daun yang rontok atau rumput di
halaman rumah, menghubungkannya dengan diva is khusus menggunakan
kabel, membiarkannya terkena sinar matahari dan 'klik' ... menghasilkan
listrik untuk keperluan rumah tangga! Begitulah kira-kira mimpi besar
para ilmuwan di seluruh dunia yang mendedikasikan waktu dan pikirannya
dalam bidang fotosintesis.
Usaha untuk meniru sel surya berbasis komponen fotosintesis sudah
dimulai. Sekelompok peneliti [19] mencoba mengamati bahwa elektron
dari karotenoid dapat diinjeksikan pada partikel nano Ti0 2 yang sengaja
diletakkan di tengah cincin LH2. Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa
karotenoid dalam bentuk asam dapat menginjeksikan elektron secara
langsung pada partikel nano Ti0 2 [20,21]. Gratzel sebelumnya telah
mengembangkan sel surya tersintesis pewarna (dye-sensitized solar cell
Ill
Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
- DSSC) yaitu sebuah konsep sel surya yang memanfaatkan pewarna
(dyes) sebagai pemanen cahaya [22]. Diperkirakan bahwa karotenoid
dapat diaplikasikan pada sel surya Gratzel untuk meningkatkan angka
efisiensi konversi cahaya menjadi listrik [23]. Keunggulan dari sel surya
bio yang berbasis karotenoid adalah bahwa rekombinasi muatan yang
menjadi masalah khas sel surya konvensional tidak terjadi pada sel surya
bio ini. Alasan lain adalah bahwa kebanyakan sel surya konvensional
dan kuantum dot sekalipun lambat dalam konversi energi cahaya
menjadi listrik karena tidak dapat memanfaatkan seluruh spektrum sinar
matahari. Sel surya bio lebih 'hijau' dan sederhana dalam fabrikasi
sehingga lebih terjangkau. Yang masih menjadi kendala utama sel surya
bio berbasis karotenoid adalah fotodegradasi.
Masalah Degradasi
Sebagai kromofor, tentu karotenoid harus sensitif terhadap paparan
cahaya. Karotenoid intak pada antena memiliki mekanisme redistribusi
dan transfer energi eksitasi di dalam antena berbentuk cincin (rantai
tak hingga) sehingga waktu rata-rata setiap molekul karotenoid
'menyimpan' energi foton jauh lebih singkat. Jika karotenoid dalam
keadaan 'bebas' maka energi foton harus 'disimpan' lebih lama sehingga
rantai tersebut akan mengalami vibrasi lebih lama pula dan dapat
menyebabkan putusnya rantai tersebut. Fotodegradasi terjadi cukup
cepat jika terus menerus terpapar cahaya dengan panjang gelombang
300- 550 nm (violet sampai hijau) karena persis bersesuaian dengan
resonansi elektroniknya. Jika hal itu terjadi maka karotenoid akan
mengalami perubahan konfigurasi geometri dari
trans- (lurus) menjadi
cis-karotenoid (bertekuk) dan dalam keadaan ekstrim akan terpenggal
menjadi rantai-rantai pendek. Akibat langsung degradasi terse but adalah
pudarnya warna serta mengurangi kemampuan karotenoid sebagai
protektor UV pada kosmetik, provitamin A dan antioksidan serta tidak
Ill
Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana ISalatiga, 10 Apri12013
'
memungkinkan untuk menyerap cahaya pad a bentangan spektrum sinar
matahari.
Karotenoid sangat sensitif dan labil terhadap temperatur, terutama
ketika tidak terikat pada membran. Temperatur karotenoid perlu dijaga
cukup rendah selama proses ekstraksi dan penyimpanan ataupun
pengolahan makanan. Tingginya temperatur karotenoid, misalnya sa at
proses pemasakan (penggorengan atau perebusan), dapat menyebabkan
kerusakan karotenoid lebih dari SO persen. Pemanasan sampai 200°C
(suhu minyak goreng saat proses penggorengan adalah antara 1S02S00C) selama beberapa menit cukup untuk menghancurkan seluruh
karotenoid yang ada [1].
Peluang dan Tantangan Karotenoid
Karotenoid sa at ini telah banyak digunakan sebagai pewarna alam pad a
makanan maupun kosmetik. Untuk maksud itu saja, industri karotenoid
telah mencapai nilai jual tahunan melampaui 300 juta dollar AS.
Kapasitas produksi 13-karoten saja mencapai SOO ton per tahun hanya
oleh dua produsen utama Hoffmann-La Roche AG dan BASF f:..G [24].
Seiring dengan gencarnya kampanye produk-produk ramah lingkungan,
termasuk di dalamnya pewarna, yang menghendaki agar suatu produk
dapat mengalami biodegradasi maka pewarna alamiah semakin
mendapat perhatian di berbagai industri percetakan dan tekstil. lndustri
tersebut mulai beralih ke penggunaan pewarna-pewarna alamiah yang
lebih ramah lingkungan [2S]. Dengan demikian permintaan akan
pewarna alamiah di masa datang akan terus meningkat. Jika kita
memperhatikan kandungan 13-karoten yang masih tersisa pada proses
akhir produksi minyak goreng dari kelapa sawit saja maka dipastikan
produksi secara komersial 13-karoten pad a skala industri dari bah an baku
'sampah' kelapa sawit itu pantas untuk dilirik.
Q-
?
"
_
.
S
a
5
?r
a>
'
a
S7
"
"
Karctencid. Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio
S
£
ÿ -T
3
C
&
ÿ&
Si
.
n>
fD
O
fD
3
ÿ
3
o
m
3
00
o
a;
a
ÿ
"
_
3
O
c
v
3
5
3
n
-
o
_
2
3
Q
dan teliti serta berdedikasi. Oleh sebab itu aplikasinya tidak dapat secara
£
a>
0J
cn
o>
3
z
QJ
fD
0
.
-
ÿ
a
QJ
3
D
ID
3
Q
B
f?
"
r*
cr
era
_
CU
{/>
t/>
QJ
a*
v>
a
O
3
a>
Q
D
"
C
A
fD
£
"
.
7T
"
D
3
sempittertuju pada komersialisasi jangka pendekdanpewarna saja agar
,
.
r+
3T
fD
3
a
.
L/k
C
77
C
3
O
q>
o
3
cu
3
c
o;
"
QJ
S
3
a>
3
3
a>
3
oa
_
Q
3
_
77
&>
O
tidak menghambat kemajuan sains karotenoid itu sendiri.
3
Q
cv
rt»
t
f
fD
a>
a
3T
a>
.
"
.
-
.
.
_
a>
o
V
o
r
o
a>
3
ea
fD
3
QJ
3
D
fD
c
C
"
OJ
Cl
Q
Jika dahulu perielitian tentang karotenoid fokus pada ketersediaan,
3
fD
3
fD
3
fD
3
ea
T
r
O
O
3
fD
>
r
4
p4
o
QJ
ÿ
t/>
n
QJ
V>
0
a
0
ÿ
a
-
"
S
c
fD
3
0
O
r+
karotenoid itu diproduksisecara bioteknologi, mekanisme kerja sebagai
/>
QJ
<
/>
C
D
V
J
J
V
<
1
3
t
obat dan substarisi preventif penyakit, rekayasa sel surya berbasis
fotosintesis ramah lingkunganyang efisien dan stabil dan lain sebagainya.
Jika potensi karotenoid ini disadari sepenuhnya dengan pola pikiryang
rasional maka studi-studi fundamental menyangkut biosintesis,
modifikasi genetik, interaksi karotenoid dengan protein in vivo serta,
biofisika molekuler, bioelektrik, kimia antioksidanadalahsangat esensial.
Studi-studi tentang karotenoid memerlukan pendekatan interdisipliner
dari ilmuwan-ilmuwan dari berbagai cabang ilmu.
Scientific principles and laws do not lie on the surface of nature. They
"
are hidden, and must be wrested from nature by an active and
elaborate technique of inquiry.
"
~
John Dewey.
sebab...
"
The earth has music for those who listen."' George Santayana
Terima kasih
20
I