Anabolisme

Anabolisme merupakan reaksi proses penyusunan (sintesis) senyawa kompleks dari senyawa sederhana yang berlangsung di dalam sel. Dalam proses penyusunan senyawa kimia tersebut diperlukan energi. Jika energi berasal dari sinar matahari akan digunakan untuk proses fotosintesis adapun jika energi berasal dari energi kimia digunakan untuk proses kemosintesis.

1. Fotosintesis

Ingatlah kembali fotosintesis! Persamaan reaksi fotosintesis dapat dituliskan kembali sebagai berikut:

Reaksi fotosintesis akan menghasilkan karbohidrat dan oksigen. Untuk mengetahui bahwa proses fotosintesis menghasilkan karbohidrat, lakukan percobaan berikut!

Tujuan : Mengetahui proses fotosintesis menghasilkan karbohidrat.
Alat dan Bahan :
1. Daun tumbuhan hijau      6. Alkohol 94 %
2. Kertas aluminium foil     7. Yodium
3. Gunting                           8. Air
4. Gelas                               9. Panci
5. Lem                               10. Kompor/pemanas air

Cara Kerja :
1. Potonglah kertas ukuran panjangnya kira-kira bisa untuk membungkus daun tumbuhan yang dijadikan percobaan dan lebar 2 cm, kemudian lubangilah bagian tengahnya dengan diameter 0,5 cm.

2. Bungkuslah sebagian daun tumbuhan yang terkena sinar matahari langsung dengan kertas timah (dilakukan pada pagi hari).

3. Pada sore hari, petiklah daun itu.

4. Rebuslah air kemudian masukkan daun ke dalam air mendidih selama 2 manit dan angkatlah

5. Selanjutnya bukalah bungkus aluminium foil, kemudian masukkan daun itu ke dalam alkhohol selama 5 menit kemudian angkat dan tiriskan.

6. Tetesilah permukaan daun dengan yodium sampai merata.

7. Amatilah perubahan warnanya, jika daun berwarna pucat berarti tidak terjadi proses fotosintesis sedangkan jika daun berwarna biru kehitaman berarti terjadi proses fotosintesis.

8. Buatlah kesimpulan dari kegiatan ini!

Dari percobaan ini terlihat, bahwa proses fotosintesis yang terjadi di dalam daun dapat menghasilkan senyawa karbohidrat (amilum) dengan bantuan energi cahaya (foton). Sumber energi cahaya (foton) adalah matahari.

Tahukah Anda bahwa proses fotosintesis terjadi di dalam kloroplas? Kloroplas terdapat di dalam daging daun (mesofil) dan juga dapat ditemukan pada bagian-bagian lain seperti batang dan ranting yang berwarna hijau. Di dalam kloroplas terdapat pigmen berwarna hijau yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang dapat menyerap energi spektrum cahaya matahari.

Kloroplas pada penampang melintang daun

Susunan kloroplas terdiri atas membran ganda yang menyelubungi ruangan berisi cairan (stroma). Membran tersebut membentuk suatu sistem disebut membram tilakoid dan bentuknya seperti suatu bangunan kantung disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung telakoid itu dapat berbentuk berlapis-lapis disebut grana.

Karena letak klorofil berada pada membran tilakoid, maka proses pengubahan energi cahaya (foton) menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedangkan proses fotosintesis dengan produk akhir glukosa dan senyawa lain berlangsung di dalam stroma.

Tahap apa saja yang ada dalam proses fotosintesis? Tahapan dalam proses fotosintesis merupakan rangkaian dari suatu proses penangkapan energi cahaya (fotosistem), aliran elektron dan penggunaannya. Klorofil hanyalah sebagian dari perangkat fotosistem untuk menangkap energi cahaya dalam proses fotosintesis.

1.a. Fotosistem

Fotosistem merupakan suatu unit yang terdiri atas klorofil a, kompleks antene dan akseptor elektron yang mampu menangkap energi cahaya (foton) matahari. Jika klorofil hanya menyerap cahaya merah, ungu, dan biru kemudian dipantulkan kembali maka terlihat warna hijau. Warna klorofil dapat berbeda-beda tergantung dari jenis klorofil dan cahaya yang terserap kemudian dipantulkan.

Ada dua macam klorofil, yaitu sebagai berikut.

1) Klorofil a, yaitu klorofil yang memiliki pigmen warna hijau, pigmen merupakan senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya tampak.
2) Klorofil b, klorofil yang memiliki pigmen warna kuning sampai jingga disebut karoten memiliki struktur mirip dengan klorofil a.

Klorofil a dan pigmen-pigmen lain mengelompok di dalam tilakoid membentuk bangunan unit pigmen, klorofil a terletak di tengah bangunan yang disebut sebagai pusat reaksi. Klorofil a memperoleh energi cahaya dari akseptor elektron berasal dari sekelompok molekul pada perangkat pigmen yang dapat menangkap elektron cahaya berenergi tinggi disebut antene.

Cahaya yang terserap klorofil a merupakan cahaya yang berenergi tinggi, sehingga dapat menyebabkan terlemparnya elektron yang ada pada pigmen. Elektron yang terlempar keluar orbit berada dalam keadaan tidak stabil yang menyimpan energi tinggi disebut tereksitasi. Dalam keadaan demikian, klorofil berusaha mensuplai elektron dari molekul lain dan dalam waktu bersamaan H₂O terpecah menjadi 2H⁺, OH^- dan elektron (fotolisis), elektron dari air ini diambil untuk menstabilkan keadaan klorofil kembali.

Pada klorofil a terdapat dua macam fotosistem, yaitu fotosistem I atau disebut P700 karena sensitif terhadap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm dan fotosistem II atau disebut P680 yang sensitif terhadap energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm.

Proses penyerapan energi cahaya dapat mengakibatkan terlepasnya elektron berenergi tinggi dari klorofil a, selanjutnya disalurkan dan ditangkap oleh akseptor elektron, maka proses tersebut merupakan awal dari proses terjadinya proses fotosintesis. Proses berikutnya elektron masuk dalam aliran elektron, jika elektronnya berasal dari fotosistem I bersifat nonsiklus dan apabila elektronnya berasal dari fotosistem II bersifat siklus. Di mana letak perbedaan aliran elektron antara fotosistem I dengan fotosistem II?


1.b. Aliran Elektron
Perjalanan yang ditempuh oleh elektron ada dua yaitu sebagai berikut.

1.b.I. Aliran Elektron Fotositem I Bersifat Siklus

Cahaya berenergi tinggi yang terserap klorofil a dapat menyebabkan elektron (e^-) berasal dari fotosistem I atau P700 terlempar keluar orbitnya. Pada saat perjalanan elektron (e^-) berasal dari P700 yang terlempar keluar orbit tersebut lalu ditangkap oleh akseptor penerima elektron seperti plastokuinon atau sitokrom. Kemudian elektron itu pindah ke akseptor lain, lalu pindah kembali ke klorofil P700 semula. Selama proses perpindahan dari akseptor satu ke akseptor lain terdapat energi yang terlepas dari elektron, energi tersebut digunakan dalam fotofosforilasi siklik dengan produk akhir berupa ATP, dan tidak dihasilkan NADPH serta O₂.

Pembentukan ATP melalui fotofosforilasi siklik

ATP digunakan sebagai energi yang dapat dimanfaatkan dalam proses biologis sel-sel organisme, seperti yang telah kita pelajari sebelumnya. Dalam hal ini ATP berguna dalam pembentukan karbohidrat. Perlu Anda ketahui sintesis ATP dalam kloroplas disebut sebagai fotofosforilasi .

Apa yang dimaksud fotofosforilasi? Fotofosforilasi adalah peristiwa bereaksinya senyawa ADP dan asam fosfat menjadi ATP, seperti berikut.

fotofosforilasi

1.b.II. Aliran Elektron Fotositem II Bersifat Nonsiklus

Perjalanan aliran elektron fotosistem II, elektronnya (e^-) juga berasal dari P700. Elektron (e^-) yang terlempar keluar orbit dan ditangkap oleh akseptor elektron yaitu NADPH2 kemudian elektron (e^-) bersamaan dengan 2H^- berasal dari pecahan H₂O mengikuti jalannya elektron siklik pindah ke akseptor lain seperti plastosianin atau feredoksin.

Selanjutnya elektron itu pindah dan tidak kembali ke klorofil P700, tetapi mengalir melalui membran tilakoid. Dengan pelepasan elektron tersebut, maka P700 menjadi molekul yang teroksidasi sehingga menyedot elektron dari P680 berenergi tinggi yang berasal dari energi cahaya (foton) matahari.

Molekul NADPH₂ dan ATP yang berenergi tinggi digunakan untuk mengubah CO₂ dan H₂O menjadi produk gula (seperti glukosa, maltosa, fruktosa dan amilum) dan O₂. Proses pembentukan gula (karbohidrat) dapat Anda lihat pada siklus Calvin.


1.c. Siklus Calvin
Siklus Calvin terdiri atas dua tahap reaksi, yaitu reaksi terang akan menghasilkan produk akhir berupa ATP dan NADPH₂ dan reaksi gelap akan menghasilkan gula (karbohidrat), kedua reaksi tersebut terjadi dalam kloroplas yang terdapat di dalam daging daun (mesofil). Tahapan reaksi siklus Calvin adalah karboksilasi, reduksi dan regenerasi sebagai berikut.

Siklus Calvin

1.c.I. Karboksilasi (Fiksasi) CO₂
CO₂ diikat (fiksasi) oleh senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) yang memiliki atom C sebanyak 5 (C-5), karena hanya mengikat satu atom C (C-1) maka terbentuk senyawa RuBP dengan atom C sebanyak 6 (C-6) dalam keadaan yang tidak stabil dan pecah menjadi 2 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P).

1.c.II. Reduksi
Selanjutnya 2 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P) bereaksi dengan ATP, membentuk asam fosfogliseraldehid yang masih berikatan dengan H₂ berasal dari NADPH₂. Siklus reaksinya harus berjalan 3 kali, baru terbentuk hasil akhir yaitu 6 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P).

1.c.III. Regenerasi
Regenerasi atau pembentukan kembali senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) digunakan untuk mengikat CO₂. Pembentukan kembali senyawa rebulosa bifosfat (RuBP) dan pecah menjadi 2 senyawa (G3P) bereaksi dengan ATP membentuk asam fosfogliseraldehid dan NADPH₂ . Siklus reaksinya berjalan 3 kali, dan kembali regenerasi lagi. Jadi untuk membentuk 1 molekul glukosa maka dibutuhkan sebanyak 6 kali siklus (siklus Calvin) dengan menangkap sebanyak 6 molekul 6CO₂, reaksinya sebagai berikut.

2. Kemosintesis
Sebagaimana telah Anda ketahui, bahwa sumber energi pada proses reaksi penyusunan (sintesis) molekul gula (karbohidrat) dari molekul CO2 dan H2O yang berlangsung di dalam sel makhluk hidup, adalah cahaya (foton) matahari, tetapi tidak semua makhluk hidup menggunakan cahaya sebagai sumber energinya. Contohnya pada beberapa mikroorganisme seperti bakteri belerang, bakteri nitrit, bakteri nitrat, dan bakteri besi memperoleh energi dengan cara mengoksidasi senyawa kimia. Jadi, jika pada proses penyusunan bahan organik yang menggunakan sumber energi dengan cara pengoksidasian (pemecahan) senyawa kimia disebut kemosintesis. Berikut pengoksidasian beberapa bakteri untuk memperoleh energi kimia.

a. Bakteri belerang, misalnya bakteri sulfur tak berwarna (Thiobacillus) memperoleh energi dengan cara mengoksidasi H₂S, reaksinya:

Selanjutnya energi tersebut digunakan untuk fiksasi CO₂ menjadi gula (karbohidrat), reaksinya:

 

 b. Bakteri nitrit, misalnya bakteri Nitrosomonas dan Nitrococcus memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH₃ dalam bentuk senyawa amonium karbonat menjadi asam nitrit, reaksinya:

c. Bakteri nitrat, misalnya bakteri Nitrobacter memperoleh energi dengan cara mengoksidasi nitrit menjadi nitrat, reaksinya:

 

d. Bakteri besi, misalnya lipotrik memperoleh energi dengan cara mengoksidasi ferro menjadi ferri, reaksinya: