Aktivitas Biologi 2
C. Anabolisme Karbohidrat
Sepert i yang t elah A nda pelajari sebelumnya, anabolisme adalah proses pembentukan atau penyusunan senyawa organik sederhana menjadi senyawa organik kompleks. Senyawa kompleks t ersebut dapat berupa karbohidrat, lemak, dan protein. Senyawa kompleks tersebut merupakan zat makanan yang diperlukan makhluk hidup. A nabolisme dapat terjadi melalui fotosintesis dan kemosintesis.
Kata Kunci
• Anab olism e
• Asam laktat
• Lelah
Sinar m at ahari
CO2 +H2O
Klorop las
Karb ohid rat Mit okond ria
ATP
1. Fotosintesis
Fotosintesis adalah proses pembentukan karbohidrat dari karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) pada kloroplas dengan bantuan cahaya matahari. Fot osint esis dapat dilakukan oleh t umbuhan, alga, dan bakt eri yang memiliki kloroplas. H asil dari fotosintesis adalah molekul glukosa yang disimpan dalam bentuk pati, amilum, atau tepung. Secara garis besar, reaksi fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut:
cahaya matahari
6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
klorofil
Pada beberapa aspek, proses fot osint esis dapat dikat akan sebagai kebalikan proses respirasi seluler. Fotosintesis membentuk glukosa dan menggunakan energi matahari, sedangkan respirasi memecah glukosa untuk menghasilkan energi.
a. Cahaya M atahari
Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi. M ata manusia dapat melihat cahaya tampak dengan panjang gelombang 400 nm ( ungu) hi ngga 730 nm ( merah) . Cahaya mat ahari sebenarnya merupakan campuran panjang gelombang yang berbeda dan cahaya t ampak hanyalah sebagian kecil gelombang yang dipancarkan matahari. Cahaya tampak terdiri atas warna pelangi dari ungu hingga merah. Perhatikan gambar 2.17.
Gambar 2.16
Ilust rasi hubungan fot osint esis dan respirasi sel. Fot osint esis t erjadi di kloroplas dan m enghasilkan karbohidrat . Adapun respirasi sel t erjadi di m it okondria unt uk m enghasilkan energi.
Gambar 2.17
Berbagai gelom bang cahaya dari m at ahari. Hanya cahaya t am pak yang dapat dilihat m at a m anusia.
Sumber: Biologi: Evolusi, Kepelbagaian, dan
Persekitaran, 1991
Kata Kunci
• Cahaya matahari
• Cahaya tampak
• Fot osint esis
380 nm Ungu Biru Hijau Jingga M erah 760 nm Gelombang radio Gelombang mikro Infra merah Cahaya nampak Ultra ungu Sinar-X Sinar gamma Prism a E n e rg i ti n g g i E n e rg i re n d a h P a n ja n g g e lo m b a n g y a n g b e rk u ra n g Terp ant ul Terserap Terp an car Warna daun
Sumber: Biologi: Evolusi, Kepelbagaian, dan Persekitaran, 1991
Permukaan benda akan tampak hitam jika menyerap semua panjang gelombang cahaya tampak. A dapun benda yang tampak putih memantulkan semua panjang gelombang cahaya tampak. Benda yang berwarna menyerap sebagian warna dan memantulkan warna yang terlihat mata. Jika benda berwarna merah, ia memantulkan cahaya merah dan menyerap cahaya lainnya. Bagaimana dengan daun yang berwarna hijau?
b. Pigmen Fotosintesis
Pada sel eukariot, proses fotosintesis terjadi dalam organel yang disebut kloroplas. Organel ini memiliki dua lapis membran luar. Di dalam kloroplas terdapat tumpukan membran yang disebut tilakoid. Tilakoid merupakan membran yang mirip kant ung dan pada beberapa bagian t ersusun bert umpuk membent uk grana. Bagian mat riks dari kloroplas disebut stroma (Gambar 2.18).
Fotosintesis terjadi pada kloroplas. Apakah tum buhan yang berdaun merah atau kuning melakukan fot osint esis?
Logika
Biologi
Gambar 2.18
Let ak kloroplas pada t um buhan dan st rukt urnya.
M embran tilakoid memiliki protein penting dan berperan sebagai pembawa elektron. A kan tetapi, fungsi penting dari membran ini dalam fotosintesis adalah kandungan pigmen yang terdapat di dalamnya, yakni pigmen klorofil.
Klorofil adalah pigmen yang menyerap cahaya dengan efisiensi tinggi. Seperti pigmen lainnya, klorofil hanya dapat menyerap sebagian cahaya tampak. Klorofil dapat menyerap cahaya merah dan biru sangat baik, sedangkan cahaya hijau sangat sedikit diserap. O leh karena it ulah, tumbuhan yang mengandung klorofil terlihat berwarna hijau oleh mata kita karena cahaya hijau lebih banyak dipantulkan.
Tumbuhan juga memiliki pigmen lain, terutama karotenoid. Pigmen karotenoid termasuk karoten dan xantofil. Pigmen warna kuning, jingga, merah, dan ungu ini menyebabkan bakteri, tomat dan daun memiliki warna beraneka ragam.
Sayatan daun Sel m esofil Nukleus Klorop las Vakuola Sel m esofil Klorop las Mem b ran t ilakoid Bagian dalam t ilakoid Grana St rom a
Kata Kunci
• Grana • Klorofil• Pigm en fot osint esis
• St rom a
• Tilokoid
Terdapat beberapa jenis klorofil, yaitu klorofil a,b,c, dan d. Klorofil a
merupakan jenis klorofil yang paling penting dalam fotosintesis. Klorofil ini terdapat pada semua makhluk hidup yang dapat berfotosintesis. Klorofil a
dapat menyerap cahaya maksimal dengan panjang gelombang 430 nm dan 662 nm. Klorofil b juga berperan dalam fotosintesis. Klorofil b menyerap cahaya maksimal dengan panjang gelombang 453 dan 642 nm. Perhatikan gambar berikut. 100 8 0 6 0 4 0 2 0 0 400 500 600 700 Klorofil a Klorofil b
Panjang gelom bang (nm )
Penyerapan cahaya oleh klorofil a dan b
Violet Biru Hijau Oranye Merah
Sumber: Botany, 1995
Gambar 2.19
Penyerapan cahaya oleh klorofil
a dan b
c. M ekanisme Fotosintesis
Pada awal abad ke-20, para ilmuwan menyadari bahwa fotosintesis dapat dibedakan menjadi dua proses reaksi yang memerlukan cahaya dan reaksi yang tidak memerlukan cahaya. Reaksi yang memerlukan cahaya disebut juga reaksi terang. Reaksi ini secara langsung berhubungan dengan pigmen dan tilakoid di kloroplas. A dapun reaksi yang tidak memerlukan cahaya disebut juga reaksi gelap, terjadi di stroma dan matriks klorofil.
Sekilas
Biologi
Joseph Priestley(1733–1804)
Joseph Priestley adalah orang pertam a yang m elakukan percobaan fotosintesis pada tahun 1772. Salah satu hasil percobaannya adalah lilin menyala yang ditempatkan dengan sepotong tunas tum buhan. Lilin masih dapat menyala meskipun ditutup dengan sungkup kaca. Namun, dia belum dapat m enjelaskan hasil t em uannya t erseb ut .
Pada tahun 1779, Jan Ingenhousz berhasil m enjelaskan fenomena yang terjadi pada hasil percobaan Priest ley dan m engatakan bahw a hanya bagian hijau tumbuhan sajalah yang m em egang peranan penting dalam proses t ersebut .
Sumber:www.wikipedia.org
Gambar 2.20
Reaksi t erang dan reaksi gelap pada klorop las
Sumber:Biology: Discovering Life, 1991
Cahaya CO2 H2O C 6H12O6 St rom a Tilakoid O2 ADP + P NADP+ NADPH ATP
Reaksi bergant ung pada cahaya (Reaksi t erang)
Reaksi t idak bergant ung pada cahaya (Reaksi gelap)
1) Reaksi Terang
Proses dari reaksi t erang adalah pusat fot osint esis. Pusat reaksi tersusun atas molekul klorofil yang dikelilingi oleh molekul lain yang mampu menerima elektron. Pusat reaksi terang disebut fotosistem yang terdiri atas kompleks protein, klorofil, dan pigmen lain yang menyerap cahaya. Fotosistem ini terdapat di membran tilakoid.
Pada t umbuhan dan alga t erdapat dua pusat reaksi yang bekerja secara teratur. Pusat reaksi ini ditemukan karena memiliki penyerapan panj ang gel ombang cahaya yang berbeda. Fot osi st em I memi l i ki penyerapan cahaya maksimum 700 nm, karena pada fotosistem I terdapat pigmen yang dapat menyerap panjang gelombang maksimum 700 nm (p700).Fotosistem II memiliki penyerapan cahaya maksimum 680 nm dengan pigmen yang dapat menyerap panjang gelombang maksimum 680 nm (p680). M eskipun fotosistem I ditemukan lebih dahulu, reaksi transfer elektron berawal dari fotosistem II. Elektron bergerak dari fotosistem II ke fotosistem I.
Ket i ka cahaya mat ahari ( fot on) mengenai fososi st em I I , akan menyebabkan el ekt ronnya t ereksi t asi ( kel uar) . El ekt ron i ni akan digant ikan oleh elekt ron hasil hidrolisis dari molekul air. Perist iwa pemecahan molekul air pada fotosintesis ini disebut fotolisis.
H2O 2H+ + O 2 + 2e – 2H2O 4H+ + O 2 + 4e –
Dapat A nda lihat bahwa fotolisis menyediakan elektron (e–). Selain
itu juga, proses ini menghasilkan oksigen (O2) dan pasangan proton bebas ( H+) di dalam t ilakoid. Pada reaksi inilah sumber oksigen di bumi
dihasilkan.
Bagai manakah proses fot osi nt esi s sel anj ut nya? El ekt ron yang dihasilkan akan memasuki sist em t ransfer elekt ron. Reaksi t ransfer elektron ini dapat dibedakan menjadi reaksi nonsiklik dan reaksi siklik. a) Reaksi nonsiklik
Elektron yang tereksitasi dari fotosistem II bergerak melalui rangkaian akseptor elektron, seperti plastoquinon, sitokrom f, dan plastosianin. Pada proses tersebut dilepaskan energi yang ditangkap oleh A DP 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 t erlepas dari fot osist em I segera digant ikan oleh elekt ron dari fotosistem II.
Elektron berenergi tinggi yang dilepaskan fotosistem I akan bergerak melalui rangkaian aksept or elekt ron baru. Pada akhirnya, elekt ron t ersebut digunakan unt uk mereduksi N A D P (N icotinamide A denine D inucleotide Phosphate) menjadi NA DPH .
Sekilas
Biologi
Robert M ayer(1814–1878)
Robert Mayer m erupakan seorang ahli fisika Jerman. Ia adalah orang pertama yang dapat m enjelaskan gam baran seluruh proses fotosintesis. Tahap yang penting dalam fotosintesis adalah absorpsi energi dalam bentuk cahaya, kemudian berubah menjadi energi kimia, yang selanjutnya disimpan dalam bentuk senyaw a- senyaw a yang dibuat oleh t um buhan. Sumber:www.dbhs.wvusd.k12.ca
Kata Kunci
• Fit osist em • Fot ofosforilasi • Fot olisis • Reaksi t erang • SiklikAksep t or 2 fot on 2e– P680 2e– H2O O2+ 2H+ Fot osist em II Pq ADP+ P ATP Kom p leks sit okrom Pc 2 fot on Aksep t or Fd NADP+ red u kt ase NADPH NADP++ H+ P700 Fot osist em I M at ah ari
Pada reaksi ini, elektron yang dilepas fotosistem I tidak kembali lagi ke fotosistem I. Pembentukan ATP dari reaksi nonsiklik ini disebut juga fotofosforilasi nonsiklik.
b) Reaksi siklik
Pada beberapa kasus, terjadi pola pergerakan elektron yang berbeda. Pola ini disebut reaksi siklik, karena elektron yang dilepaskan fotosistem I selalu kembali pada fot osist em I. Ket ika elekt ron melalui beberapa akseptor elektron, energi yang dilepaskan digunakan untuk membentuk A DP menjadi ATP.
Gambar 2.21
Reaksi nonsiklik yang t erjadi pada m em b ran t ilakoid Sumber: Botany, 1995 Gambar 2.22 Reaksi siklik Sumber: Botany, 1995 M at ah ari Aksep t o r Fd Pq Kom p leks sit okrom Pusat reaksi 2 fot on 2e_ P = 700 ATP Energi unt uk sin t esis Pc
Secara um um , fotosintesis terjadi pada siang hari ketika ada cahaya matahari. Kalau begitu, kapankah respirasi sel t um buhan t erjadi?
Pembentukan AT P melalui reaksi siklik disebut juga fotofosforilasi siklik. Reaksi ini dilakukan jika AT P yang dibuat kurang dan banyak terjadi pada bakteri fotoautototrof.
2) Reaksi Gelap
Reaksi gelap merupakan langkah selanjutnya setelah reaksi terang. Reaksi ini terjadi di stroma kloroplas. Reaksi terang telah menyediakan energi kimia pada stroma kloroplas dalam bentuk A T P dan N A DPH . Energi ini akan digunakan untuk menghasilkan glukosa, yaitu hasil akhir reaksi fotosintesis.
Reaksi gelap memerlukan ATP, NA DPH, CO2, rangkaian enzim, serta kofakt or yang dapat dit emukan pada st roma kl oropl as. Reaksi ini dijelaskan pertama kali oleh Melvin Calvin dan A ndrew Benson. Oleh karena itu, reaksi ini disebut juga siklus Calvin-Benson. Perhatikan gambar berikut .
Sumber: Biology Concepts & Connections, 2006
Output
3
CO2
Inp ut Tahap I: Fiksasi CO2
p RuBP 3p 3 ATP ADP p 5
Tahap III: Regenerasi
G3P G3P 6 P NADPH NADP 6ADP ATP 6p p 3-PGA Rub isko
3-fosfog liserald ehid a
Glukosa dan senyaw a organik lainnya p 1 Ou t p u t 6 p 6 6
Tahap II: Reduksi
Gambar 2.23
Siklus Calvin-Benson
a) Fase fiksasi
Berdasarkan gambar tersebut, langkah pertama siklus Calvin-Benson adalah fiksasi CO2 dari udara oleh ribulosa bifosfat ( RuBP) dengan bantuan enzim rubisko. Fiksasi ini membentuk senyawa beratom C6. H asil yang tidak stabil tersebut dipecah menjadi 2 senyawa C3 (3-fosfogliserat). Oleh karena itu, setiap 3 molekul CO2 yang masuk akan menghasilkan enam molekul 3-fosfogliserat.
b) Fase reduksi
Pada fase reduksi, N A D PH mereduksi 3-fosfogl iserat menjadi 3-fosfogliseraldehid (G3P) dengan bantuan ATP. Untuk membuat 1 molekul G3P, siklus tersebut memerlukan atom karbon dari tiga molekul CO2.