PROSES OKSIDASI BIOLOGI

A. Pengertian Metabolisme

Metabolisme adalah serangkaian reaksi kimia yang terjadi dalam

organisme hidup untuk mempertahankan hidup. Proses ini memungkinkan

organisme untuk tumbuh dan berkembang biak, menjaga struktur mereka, dan

merespon lingkungan mereka. Metabolisme biasanya dibagi menjadi dua kategori.

Katabolisme memecah bahan organik, misalnya untuk energi panen dalam

respirasi selular. Anabolisme, menggunakan energi untuk membangun komponen

sel seperti protein dan asam nukleat.

Reaksi kimia metabolisme tersebut akan disusun dalam jalur metabolik, di

mana satu kimia diubah melalui serangkaian langkah-langkah ke kimia lain,

dengan urutan enzim. Enzim sangat penting untuk metabolisme karena mereka

memungkinkan organisme untuk menggerakkan reaksi diinginkan yang

memerlukan energi dan tidak akan terjadi dengan sendirinya, dengan kopling

mereka untuk reaksi-reaksi spontan yang melepaskan energi. Sebagai enzim

bertindak sebagai katalis reaksi-reaksi mereka memungkinkan untuk melanjutkan

dengan cepat dan efisien. Enzim juga memungkinkan regulasi jalur metabolik

dalam menanggapi perubahan di lingkungan sel atau sinyal dari sel lain.

Metabolisme dari suatu organisme menentukan zat itu akan menemukan

bergizi dan yang akan menemukan beracun. Sebagai contoh, beberapa prokariota

menggunakan hidrogen sulfida sebagai nutrisi, namun gas ini beracun bagi hewan.

Kecepatan metabolisme, tingkat metabolisme, juga mempengaruhi berapa banyak

makanan organisme akan membutuhkan.

Sebuah fitur mencolok dari metabolisme adalah kesamaan dari jalur

metabolisme dasar antara spesies bahkan sangat berbeda. Misalnya, set asam

karboksilat yang paling dikenal sebagai zat antara dalam siklus asam sitrat yang

hadir di semua organisme, yang ditemukan pada spesies yang beragam seperti

bakteri uniseluler Escherichia coli''''dan organisme multiselular besar seperti

gajah. Ini kesamaan dalam metabolisme mungkin karena efisiensi tinggi jalur

tersebut, dan penampilan awal mereka dalam sejarah evolusi.

1

B. Pengertian Katabolisme

Katabolisme adalah reaksi pemecahan / pembongkaran senyawa kimia

kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang

mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk

membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Bila

pembongkaran suatu zat dalam lingkungan cukup oksigen (aerob) disebut proses

respirad, bila dalam lingkungan tanpa oksigen (anaerob) disebut fermentasi.

1. Respirasi

Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam

zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari

respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti

sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan.

Contoh:

Respirasi pada Glukosa, reaksi sederhananya :

C6H12O6 + O2 ——————> 6CO2 + 6H2O + 688KKal.

(glukosa)

2. Fermentasi

Pada kebanyakan tumbuhan den hewan respirasi yang berlangsung

adalah respirasi aerob, namun demikian dapat saja terjadi respirasi aerob

terhambat pada sesuatu hal, maka hewan dan tumbuhan tersebut melangsungkan

proses fermentasi yaitu proses pembebasan energi tanpa adanya oksigen, nama

lainnya adalah respirasi anaerob.

Dari hasil akhir fermentasi, dibedakan menjadi fermentasi asam

laktat/asam susu dan fermentasi alkohol.

Contoh :

Fermentasi pada Glukosa :

C6H1206 ——————> 2C2H5OH + 2CO2 + Energi.

(glukosa) (etanol)

2

C. Anabolisme

Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi

senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau

penyusunan. Anabolisme memerlukan energi, misalnya : energi cahaya untuk

fotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis.

1. Fotosintesis

Arti fotosintesis adalah proses penyusunan atau pembentukan dengan

menggunakan energi cahaya atau foton. Sumber energi cahaya alami adalah

matahari yang memiliki spektrum cahaya infra merah (tidak kelihatan), merah,

jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dan ultra ungu (tidak kelihatan).

Yang digunakan dalam proses fetosintesis adalah spektrum cahaya tampak,

dari ungu sampai merah, infra merah dan ultra ungu tidak digunakan dalam

fotosintesis.

Dalam fotosintesis, dihasilkan karbohidrat dan oksigen, oksigen sebagai hasil

sampingan dari fotosintesis, volumenya dapat diukur, oleh sebab itu untuk

mengetahui tingkat produksi fotosintesis adalah dengan mengatur volume oksigen

yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan.

Untuk membuktikan bahwa dalam fotosintesis diperlukan energi cahaya

matahari, dapat dilakukan percobaan Ingenhousz.

2. Pigmen Fotosintesis

Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik.

Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya

mengandung kloroplast yang mengandung klorofil / pigmen hijau yang

merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya

matahari.

Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda yang

melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membran tersebut

membentak suatu sistem membran tilakoid yang berwujud sebagai suatu

bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung tilakoid tersebut dapat

berlapis-lapis dan membentak apa yang disebut grana Klorofil terdapat pada

membran tilakoid dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia

3

berlangsung dalam tilakoid, sedang pembentukan glukosa sebagai produk akhir

fotosintetis berlangsung di stroma.

Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan klorofil antara lain :

1. Gen, bila gen untuk klorofil tidak ada maka tanaman tidak akan memiliki

klorofil.

2. Cahaya, beberapa tanaman dalam pembentukan klorofil memerlukan

cahaya, tanaman lain tidak memerlukan cahaya.

3. Unsur N. Mg, Fe : merupakan unsur-unsur pembentuk dan katalis dalam

sintesis klorofil.

4. Air, bila kekurangan air akan terjadi desintegrasi klorofil.

Pada tanun 1937 : Robin Hill mengemukakan bahwa cahaya matahari yang

ditangkap oleh klorofil digunakan untak memecahkan air menjadi hidrogen dan

oksigen. Peristiwa ini disebut fotolisis (reaksi terang). H2 yang terlepas akan diikat

oleh NADP dan terbentuklah NADPH2, sedang O2 tetap dalam keadaan bebas.

Menurut Blackman (1905) akan terjadi penyusutan CO2 oleh H2 yang dibawa oleh

NADP tanpa menggunakan cahaya. Peristiwa ini disebut reaksi gelap NADPH2 akan

bereaksi dengan CO2 dalam bentuk H+ menjadi CH20.

CO2 + 2 NADPH2 + O2 ————> 2 NADP + H2 + CO+ O + H2 + O2

Ringkasnya :

Reaksi terang :2 H20 ——> 2 NADPH2 + O2

Reaksi gelap :CO2 + 2 NADPH2 + O2——>NADP + H2 + CO + O + H2 +O2

atau

2 H2O + CO2 ——> CH2O + O2

Atau

12 H2O + 6 CO2 ——> C6H12O6 + 6 O2

3. Kemosintesis

Tidak semua tumbuhan dapat melakukan asimilasi C menggunakan

cahaya sebagai sumber energi. Beberapa macam bakteri yang tidak

mempunyai klorofil dapat mengadakan asimilasi C dengan menggunakan

4

energi yang berasal dan reaksi-reaksi kimia, misalnya bakteri sulfur, bakteri

nitrat, bakteri nitrit, bakteri besi dan lain-lain. Bakteri-bakteri tersebut

memperoleh energi dari hasil oksidasi senyawa-senyawa tertentu.

Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara oksidasi Fe2+

(ferro) menjadi Fe3+ (ferri).

Bakteri Nitrosomonas dan Nitrosococcus memperoleh energi dengan

cara mengoksidasi NH3, tepatnya Amonium Karbonat menjadi asam nitrit

dengan reaksi:

Nitrosomonas

(NH4)2CO3 + 3 O2 ——————————> 2 HNO2 + CO2 + 3 H20 +

Energi Nitrosococcus

4. Sintesis Lemak

Lemak dapat disintesis dari karbohidrat dan protein, karena dalam

metabolisme, ketiga zat tersebut bertemu di dalarn daur Krebs. Sebagian besar

pertemuannya berlangsung melalui pintu gerbang utama siklus (daur) Krebs,

yaitu Asetil Ko-enzim A. Akibatnya ketiga macam senyawa tadi dapat saling

mengisi sebagai bahan pembentuk semua zat tersebut. Lemak dapat dibentuk

dari protein dan karbohidrat, karbohidrat dapat dibentuk dari lemak dan

protein dan seterusnya.

Sintesis Lemak dari Karbohidrat :Glukosa diurai menjadi piruvat ———>

gliserol.

Glukosa diubah ———> gula fosfat ———> asetilKo-A ———> asam lemak.

Gliserol + asam lemak ———> lemak.

Sintesis Lemak dari Protein:

Protein ————————> Asam Amino

Protease

Sebelum terbentuk lemak asam amino mengalami deaminasi lebih dabulu,

setelah itu memasuki daur Krebs. Banyak jenis asam amino yang langsung ke

asam piravat ———> Asetil Ko-A.

5

Asam amino Serin, Alanin, Valin, Leusin, Isoleusin dapat terurai menjadi

Asam pirovat, selanjutnya asam piruvat ——> gliserol ——> fosfogliseroldehid

Fosfogliseraldehid dengan asam lemak akan mengalami esterifkasi membentuk

lemak.

Lemak berperan sebagai sumber tenaga (kalori) cadangan. Nilai kalorinya

lebih tinggi daripada karbohidrat. 1 gram lemak menghasilkan 9,3 kalori,

sedangkan 1 gram karbohidrat hanya menghasilkan 4,1 kalori saja.

5. Sintesis Protein

Sintesis protein yang berlangsung di dalam sel, melibatkan DNA, RNA

dan Ribosom. Penggabungan molekul-molekul asam amino dalam jumlah

besar akan membentuk molekul polipeptida. Pada dasarnya protein adalah

suatu polipeptida.

Setiap sel dari organisme mampu untuk mensintesis protein-protein

tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat

terjadi karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting

sebagai "pengatur sintesis protein". Substansi-substansi tersebut adalah DNA

dan RNA.

D. Daur ATP

Seluruh energi ditubuh berasal dari molekul yang tinggi energi yaitu

Adenosin Triphosphate (ATP) yang tertimbung diotot. Selama fungsi tubuh

bekerja maka hidrolisis ATP harus terus berjalan. Diantara sel tubuh, sel otot

merupakan sel yang terbanyak menimbun ATP. ATP diotot sekitar 4-6 milimol/kg

otot, yang hanya cukup untuk aktifitas cepat dan berat selama 3-8 detik. Untuk

aktifitas yang lebih lama otot memerlukan ATP melalui 3 sistem energi. Kinerja

fisik memerlukan kombinasi dari ke 3 sistem energi, dimana kontribusinya

tergantung dari intensitas dan lamanya kerja fisik yaitu sistem ATP-CP, Sistem

glikolisis anaerobic dan sistem aerobic. Tubuh beraktifitas seperti mesin yang

bergerak sendiri (automobile) dengan mengubah energi kimia menjadi energi

mekanik.

6

Adenosin Triphosphate (ATP)

Semua energi dalam proses biologi berasal dari matahari. Sumber energi

tidak dapat digunakan secara langsung tapi melalui proses metabolisme yaitu

pemecahan zat gizi dari makanan (klorofil tanaman merubah energi yang

diterimanya menjadi energi kimia: KH, protein dan lemak) yang memberi hasil

akhir ATP + CO2 H2O. ATP merupakan senyawa kimia berenergi tinggi yang

dapat langsung digunakan dalam proses biologis (konduksi saraf, transportasi ion,

sekresi kelenjar, kontraksi dan rileksasi otot,dll)

ATP terbentuk dari ADP dan Pi melalui fosforilasi yang dirangkaikan

dengan proses oksidasi. Selanjutnya ATP yang terbentuk dialirkan ke proses

reaksi biologis yang membutuhkan energi untuk hidrolisis menjadi ATP dan Pi

sekaligus melepaskan energi yang dibutuhkan oleh proses biologis tersebut.

Demikian seterusnya sehingga terjadilah daur ATP-ADP secara terus menerus.

Siklus ATP

Hidrolisis

ATP –> ADP + Pi + 12.000 kalori

ADP –> AMP + Pi + 12.000 kalori

Pembentukan kembali

AMP + Pi + 12.000 kalori –> ADP

ADP + Pi + 12.000 kalori –> ATP

Berlangsung secara mendaur –> Siklus ATP –> sistem energi.

E. Rantai Respirasi

Yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP untak kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan.

1. Siklus Kreb

Siklus Krebs adalah proses utama kedua dalam reaksi pernafasan sel.

Siklus Krebs ini ditemukan oleh Hans Krebs (1900-1981). Reaksi pernafasan

sel tersebut disebut juga sebagai daur asam sitrat atau daur asam trikarboksilat.

7

Tahapan Reaksi dalam Siklus Krebs

Siklus Krebs terjadi di mitokondria dengan menggunakan bahan utama berupa

asetil-CoA, yang dihasilkan dari proses dekarboksilasi oksidatif. Ada delapan tahapan

utama yang terjadi selama siklus Krebs.

1. Kondensasi

Kondensasi merupakan reaksi penggabungan molekul asetil-CoA dengan

oksaloasetat membentuk asam sitrat. Enzim yang bekerja dalam reaksi ini

adalah enzim asam sitrat sintetase.

2. Isomerase sitrat

Tahapan ini dibantu oleh enzim aconitase, yang menghasilkan isositrat.

3. Produksi CO2

Dengan bantuan NADH, enzim isositrat dehidrogenase akan mengubah

isositra menjadi alfa-ketoglutarat. Satu molekul CO2 dibebaskan setiap satu

reaksi.

4. Dekarboksilasi oksidatif kedua

Tahapan reaksi ini mengubah alfa-ketoglutara menjadi suksinil-CoA.

Reaksi dikatalisasi oleh enzim alfa-ketoglutarat dehidrogenase.

5. Fosforilasi tingkat substrat

Respirasi seluler juga menghasilkan ATP dari tahapan ini. Reaksi

pembentukan ATP inilah yang dinamakan dengan fosforilasi, karena satu

gugus posfat akan ditambahkan ke ADP menjadi ATP. Pada awalnya,

suksinil-CoA akan diubah menjadi suksinat, dengan mengubah GDP + Pi

menjadi GTP. GTP tersebut akan digunakan untuk membentuk ATP.

8

6. Dehidrogenasi

Suksinat yang dihasilkan dari proses sebelumnya akan didehidrogenasi

menjadi fumarat dengan bantuan enzim suksinat dehidrogenase.

7. Hidrasi dan regenerasi oksaloasetat

Dua tahapan ini merupakan akhir dari Siklus Krebs. Hidrasi merupakan

penambahan atom hidrogen pada ikatan ganda karbon (C=C) yang ada pada

fumarat sehingga menghasilkan malat. Malat dehidrogenase mengubah malat

menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat yang dihasilkan berfungsi untuk

menangkap asetil-CoA, sehingga siklus Krebs akan terus berlangsung. Adapun

hasil dari Siklus Krebs adalah ATP, FADH2, NADH dan CO2. Siklus akan

menghasilkan 2 molekul CO2, yang dilepaskan. Jumlah molekul NADH yang

dihasilkan adalah 6 molekul, sedangkan FADH adalah 2 molekul. ATP yang

diproduksi secara langsung ada sebanyak 2 molekul, yang merupakan hasil

dari reaksi fosforilasi tingkat substrat. FADH2 dan NADH adalah molekul

yang digunakan dalam tahapan transpor elektron. Setiap molekul NADH akan

dioksidasi lewat transpor elektron sehingga menghasilkan 3 ATP per molekul,

sedangkan satu molekul FADH2 menghasilkan 2 molekul ATP.

2. Transfer Elektron

Tahap akhir dari respirasi aerob adalah sistem transpor elektron sering disebut

juga sistem (enzim) sitokrom oksidase atau sistem rantai pernapasan yang

berlangsung pada krista dalam mitokondria. Pada tahap ini melibatkan donor elektron,

akseptor elektron, dan reaksi reduksi dan oksidasi (redoks). Donor elektron adalah

senyawa yang dihasilkan selama tahap glikolisis maupun siklus Krebs dan berpotensi

untuk melepaskan elektron, yaitu NADH2 dan FADH2.

Akseptor elektron adalah senyawa yang berperan sebagai penerima elektron

yang dilepaskan oleh donor elektron, yaitu enzim sitokrom dan Oksigen.

Sebanyak 10 molekul NADH2 dan 2 molekul FADH2 dihasilkan selama tahap

glikolisis dan siklus Krebs. Seluruhnya akan memasuki reaksi redoks pada sistem

transpor elektron. Setiap pelepasan elektron akan menghasilkan energi berupa ATP, 1

molekul NADH2 akan menghasilkan 3 molekul ATP, dan 1 molekul FADH2 akan

menghasilkan 2 molekul ATP.

9

Mula-mula molekul NADH2 memasuki reaksi dan dihidrolisis oleh enzim

dehidrogenase diikuti molekul FADH2 yang dihidrolisis oleh enzim flavoprotein,

keduanya melepaskan ion Hidrogen diikuti elektron, peristiwa ini disebut reaksi

oksidasi.

Selanjutnya elektron ini akan ditangkap oleh Fe+++ sebagai akseptor elektron

dan dikatalis oleh enzim sitokrom b, c, dan a. Peristiwa ini disebut reaksi reduksi.

Reaksi reduksi dan oksidasi ini berjalan terus sampai elektron ini ditangkap oleh

Oksigen (O2) sehingga berikatan dengan ion Hidrogen (H+) menghasilkan H2O (air).

Hasil akhir dari sistem transpor elektron ini adalah 34 molekul ATP, 6 molekul H2O

(air).

Secara keseluruhan reaksi respirasi sel aerob menghasilkan 38 molekul ATP, 6

molekul H2O, dan 2 molekul CO2.

10