METABOLISME: Anabolisme

ANABOLISME

Anabolisme merupakan proses penyusunan zat dari senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks yang berlangsung dalam tubuh makhluk hidup yaitu tumbuhan. Contoh anabolisme adalah sintesis protein.  Anabolisme memerlukan energi, baik energi cahaya maupun energi kimia. Anabolisme yang menggunakan energi cahaya disebut fotosintesis sedangkan anabolisme yang menggunakan energi kimia disebut kemosintesis.

·           Fotosintesis

Fotosintesis berasal dari bahasa Yunani yang terdiri dari kata foto dan synthesis. Foto berarti cahaya dan synthesis berarti menggabungkan atau penggabungan. Fotosintesis merupakan proses pembentukan karbohidrat dari karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O). Proses fotosintesis adalah proses biokimia untuk membentuk zat makanan seperti karbohidrat yang dilakukan oleh tumbuhan, terutama tumbuhan yang mengandung zat hijau daun (klorofil) dan juga beberapa jenis alga dan bakteri yang memiliki kloroplas. Contoh kelompok alga yang berfotosintesis adalah Chrococcus yang merupakan kelompok alga Chyanophyceae (Alga biru). Dan contoh dari bakterinya adalah bakteri sulfur ungu dan sianobakteria. Hasil dari proses fotosintesis adalah molekul glukosa yang disimpan dalam bentuk pati amilum atau tepung. Secara garis besar, reaksi fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut:

6CO₂ + 12H₂O   +   energi cahaya        C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

·           Unsur-unsur yang dibutuhkan dalam proses fotosintesis :

·           Cahaya Matahari

Sumber energi yang digunakan dalam proses fotosintesis adalah cahaya matahari. Cahaya matahari memiliki berbagai spektrum warna. Setiap spektrum warna memiliki panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang tersebut berkisar 380nm sampai 750nm yang dikenal dengan cahaya tampak. Setiap spektrum warna memiliki pengaruh yang berbeda terhadap proses fotosintesis. Sinar yang efektif dalam proses fotosintesis adalah merah, ungu, biru, dan orange. Sinar hijau tidak efektif dalam proses fotosintesis. Daun yang terlihat hijau oleh mata karena spektrum warna tersebut dipantulkan oleh pigmen fotosintesis. Sinar inframerah dalam proses fotosintesis  berfungsi juga meningkatkan pengaruh suhu lingkungan.

·           Pigmen fotosintesis

Pada sel eukariot, proses fotosintesis terjadi dalam organel yang disebut kloroplas. Di dalam kloroplas terdapat tumpukan membran yang disebut tilakoid. Tilakoid merupakan membran yang memiliki kantung dan pada beberapa bagian tersusun bertumpuk membentuk grana. Bagian matriks dari kloroplas disebut stroma.

Di dalam membran tilakoid terdapat  pigmen klorofil yang digunakan dalam proses fotosintesis.

Terdapat beberapa jenis klorofil, yaitu klorofil a, b, c, dan d. Klorofil a merupakan jenis klorofil yang penting dalam proses fotosintesis. Klorofil ini terdapat pada semua makhluk hidup yang dapat berfotosintesis. Pada tumbuhan, terdapat dua pusat reaksi fotosintesis yang berbeda, yakni fotosistem I dan fotosistem II. Keduanya dibedakan berdasarkan kemampuannya dalam menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Perbedaan kemampuan tersebut disebabkan oleh perbedaan kombinasi antara klorofil a dan klorofil b. Perbedaan kombinasi klorofil a dan klorofil b berpengaruh terhadap panjang gelombang yang diterima oleh klorofil. Fotosistem I dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang antara 600-700 nm, sedangkan fotosistem II dapat menerima cahaya dengan panjang gelombang antara 340-680 nm.

·           Mekanisme Fotosintesis

Sekitar abad ke-20, para ilmuwan menyadari bahwa fotosintesis dapat dibedakan menjadi dua proses reaksi yang memerlukan cahaya (reaksi terang) dan reaksi yang tidak memerlukan cahaya (reaksi gelap). Reaksi terang secara langsung berhubungan dengan pigmen dan tilakoid di kloroplas. Reaksi gelap terjadi di stroma dan matriks klorofil.

·           Reaksi Terang

Pada tahap awal fotosintesis adalah reaksi terang yaitu reaksi yang sangat bergantung pada cahaya. Pusat reaksi terang sendiri disebut fotosistem yang terdiri atas kompleks protein, klorofil, dan pigmen lain yang menyerap cahaya. Fotosistem ini terdapat di dalam membran tilakoid. Terdapat dua pusat reaksi pada tumbuhan dan alga, yaitu fotosistem I dan fotosistem II yang bekerja seara teratur.

Setiap fotosistem memiliki kompleks pusat reaksi yang khas seperti penerima elektron primer yang bersebelahan klorofil a. Pusat reaiksi klorofil a pada fotosistem II dikenal sebagai P680 nm karena pigmen ini paling bagus dalam menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm. Dan pada fotosistem I pusat reaksinya disebut P700, kerena paling efektif menyerap cahaya yang memiliki panjang gelomban 700 nm. Ketika cahaya matahari (foton) mengenai fotosistem II, akan menyebabkan elektronnya tereksitasi (keluar). Elektron yang tereksitasi akan digantikan oleh elektron hasil hidrolisis dari molekul air. Peristiwa pemecahan molekul air pada fotosintesis ini disebut fotolisis.

H₂O          2 H⁺ + ½ O₂ + 2e^-

2H₂O          4 H⁺ + O₂ + 4e^-

Pada fotolisis menyediakan elektron dan menghasilkan oksigen (O₂) dan pasangan proton bebas (H⁺) di dalam tilakoid. Elektron yang dihasilkan akan memasuki sistem transfer elektron. Reaksi sistem transfer eletron ini dibedakan menjadi reaksi siklik dan reaksi non siklik.

·           Reaksi Siklik

Elektron yang dilepaskan fotosistem I (terfotoeksitasi) selalu kembali pada fotosistem II, pola pergerakan elektron ini disebut reaksi siklik. Ketika elektron melalui beberapa akseptor elektron, energi yang dilepaskan digunakan untuk membentuk ADP menjadi ATP. Dalam proses ini tidak ada NADPH yang dihasilkan dan tidak ada  oksigen yang dilepaskan. Proses pembentukan ATP melalui reaksi siklik disebut juga fotofosforilasi siklik. Reaksi ini dilakukan jika ATP yang dibuat kurang, dan banyak terjadi pada bakteri fotoautotrof.

·           Reaksi Nonsiklik

Elektron yang terfotoeksitasi dari fotosistem II bergerak melalui rangkaian akseptor elektron, seperti plastoquinon (Pq), sitokrom, dan plastosianin (Pc). Pada proses tersebut dilepaskan energi yang ditangkap oleh ADP menjadi ATP. Selanjutnya elektron mencapai fotosistem I.

Seperti fotosistem II, fotosistem I merupakan molekul kompleks yang dapat melepaskan elektron yang dipicu oleh cahaya matahari. Elektron yang terlepas dari fotosistem I segera digantikan oleh elektron dari fotosistem II.

Elektron berenergi tinggi yang dilepaskan fotosistem I akan bergerak melalui rangkaian akseptor elektron baru. Pada akhirnya, elektron tersebut digunakan untuk mereduksi NADP menjadi NADPH. Pembentukan ATP dari reaksi nonsiklik ini disebut juga fotofosforilasi nonsiklik.

·           Reaksi Gelap

Reaksi gelap merupakan tahap sebenarnya dalam pembuatan bahan makanan pada fotosintesis. Energi yang telah dihasilkan selama reaksi terang akan digunakan sebagai  bahan baku utama pembentukan karbohidrat proses fiksasi CO₂ di stroma.

Tumbuhan mengambil karbon dioksida melalui stomata. Karbon dioksida diikat oleh suatu molekul kimia di dalam stroma bernama ribulosa bifosfat (RuBP). Karbon dioksida akan berikatan dengan RuBP yang mengandung 6 gugus karbon dan menjadi bahan utama dalam pembentukan glukosa yang dibantu oleh enzim rubisko.

RuBP yang berikatan dengan karbon dioksida akan menjadi molekul yang tidak stabil sehingga akan membentuk fosfogliserat (PGA) yang mempunyai 3 gugus C (Fiksasi). Energi yang berasal dari ATP dan NADPH akan digunakan oleh PGA menjadi fosfogliseradehid (PGAL) yang mengandung 3 gugus C (reduksi). Dua molekul PGAL ini akan menjadi bahan utama pembentukan glukosa yang merupakan produk utama fotosintesis, sedangkan sisanya akan kembali menjadi RuBP dengan bantuan ATP (regenerasi). Jadi, reaksi gelap terjadi dalam tiga tahap, yakni fiksasi CO₂, reduksi, dan regenerasi.

·           Kemosintesis

Kemosintesis merupakan salah satu proses pembentukan zat untuk menghasilkan molekul organik berenergi. Beberapa bakteri diketahui memiliki kemampuan ini. Berbeda dengan fotosintesis yang menggunakan energi matahari untuk menghasilkan ATP dan NADPH, bakteri kemoautotrof menggunakan reaksi kimia anorganik sebagai sumber energi. Mereka dapat mengoksidasi molekul anorganik untuk menghasilkan ATP dan NADPH, kemudian menggunakannya untuk mereduksi CO₂ menjadi molekul organik.

Bakteri belerang dari genus Thiobacillus, dapat menggunakan sulfur (belerang) untuk menghasilkan molekul organik. Bakteri ini mengoksidasi H₂S (sulfur) menjadi S (sulfat) seperti ditunjukkan pada reaksi berikut.

6CO₂ + 12H₂S                    C₆H₂O₆ + 6H₂O + 12S

Bakteri hidrogen yaitu Hydrogenomonas dapat mengoksidasi H₂ (hidrogen) menjadi H₂O. Adapun bakteri besi, Ferrobacillus, mampu mengoksidasi ferro (Fe₂⁺) menjadi ferri (Fe₃⁺) untuk menghasilkan molekul organik. Kemosintesis juga terjadi pada bakteri Nitrosomonas yang mengoksidasi amoniak (NH₃) menjadi nitrit (NO₂^-). Kemudian, bakteri Nitrobacter mengoksidasi nitrit (NO₂^-) menjadi nitrat (NO₃^-).