OGB Ferdy S Rondonuwu Karotenoid dari pigmen Full text

(1)

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 dipilih-Nya. 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

(2)

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,

(3)

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 pikmen-pikmen 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

(4)

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 a lam 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

(5)

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 buah-buahan. 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 1₀

2, OH", 02"-dan H202• 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

(6)

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

(7)

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 C₄₀yang 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).

C

40H58 nerosporen (n

=

9)

C

40H56 likopen (n

=

11)

C

41H580 anhidrorodovibrin (n

=

12)

Gam bar 1. Struktur molekul dari lima jenis karotenoid yang berbeda.

(8)

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 a rut 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.

Ill

________

,...

400 500

Panjang gelombang (nm)

[image:8.394.33.335.122.499.2]

(9)

Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas 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

[image:9.396.45.364.30.520.2]

(10)

Secara fisika, paling mudah memperlakukan karotenoid seperti rantai karbon sederhana (poliena) yang taat pada sistem simetri C

2h.

Berdasarkan simetri tersebut tingkat energi singlet karotenoid yang terkuantisasi dapat diklasifikasikan ke dalam kelompok k1_{A -, JlB -, m}1 _A+

g u g

dan n1_{8 -[6,7]. Superskrip}_'1'_{menandai keadaan-keadaan energi singlet;}

u

+ 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 11_{A- (keadaan dasar) yang taat pad a kaidah seleksi maka tingkat-tingkat}

g

energi m1_{A- and n}1_{8- dapat dikatagorikan sebagai transisi optik}

g u

'dibolehkan' sedangkan tingkat energi k1_{A- and JlB- adalah 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_{B -dan 3}1_{A- yang diprediksi secara teoritis}

u 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 11

A-g 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

(11)

pulsa sependek inilah yang memungkinkan ditelusurinya kejadian-kejadian 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｡ｳｩＬＭｰ･ｨｴｩｮｾ＠ 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 oleh karotenoid melalui transisi elektronik dari keadaan dasar 11_{A- ke}

g keadaan eksitasi 11_{B •. Keadaan eksitasi 1}1_{B • bertahan selama beberapa}

u u

puluh femto detik. Energi tersebut selanjutnya didisipasikan menuju tingkat energi 21_{A- melalui 1}1_{B- (dan 3}1_{A -) menggunakan mekanisme}

g u g

konversi internal dan redistribusi vibrasi [10]. Segera setelah tingkat energi 11_{B - terpopulasi maka teramati pula bahwa karotenoid}

u

melakukan silang inter sistem ke tingkat energi triplet. Artinya karotenoid triplet dapat diinduksi dari tingkat energi singlet 11

Bu-melalui mekanisme fisi intramolekuler [12], apalagi karotenoid all-trans yang menyerupai rantai lurus itu mudah terpuntir. Fenomena ini tidak lazim

(12)

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

ｾＬ＠

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 ＱＱＸｾ＾ＫＬ＠ 11_{Bu- dan 2}1_{AI1-. Diduga bahwa}

tingkat-tingkat energi aktifdalam pembentukan karotenoid triplet adalah llBu-dan

Ｒ

Ｑ

ｾＮ＠

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)

[image:12.398.28.340.104.482.2]

(13)

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013

matahari (photo-protector). Sebagai

ｰ･ｾ｡ｮ･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

(14)

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

(15)

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＠ _BChl_ｾ＠

J (2) karotenoid 11_Bu-_ｾ＠ _BChl_{ｾｾ､｡ｮ＠} _{(3) karotenoid 2}1_A

8-ｾ＠ BChl '\· Secara

skematik kanal-kanal transfer energi tersebut ditunjukkan pada Gam bar 7 untuk LH2 dari Rhodobacter sphaerodes G1C yang mengandung

karotenoid nerosporen (n

=

9) Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 yang

mengandung karotenoid speroiden (n

=

10) dan Rhodospirillum molischianum yang mengandung karotenoid likopen (n

=

11).

l'Bu·

i

ｾ＠

I

l'B -'

' u

'

•

ｾ＠

l ' B,·

1

' _'

:

--..: _ _ Q ₁1 '

8;

1

___..!

Q,

'

:

'

' I

'

I

:

'

I

'

2' A ·

t

I

' I

I I I

9

--...._,_Q I

ｾＭＧＭ｡＠

I _2'A

•

:

,

•

I y

I I

:

I I

I

:

'

:

I I

' I

_j_

l'A ·

!

_l_

l 'A ·

'

9

•

Karotenoid Bchl Karotenoid Bchl

(a) (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

[image:15.400.50.367.33.503.2]

(16)

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_{B -relatif lebih rendah}

u

daripada energi singlet bakterioklorofil

O.·

Selanjutnya, energi singlet karotenoid 21_{A- lebih 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 praktis tertutup. Jadi keterlibatan 11_{B- dalam proses transfer energi}

u

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_B

-u dan 21_{A- secara meyakinkan bertanggung jawab terhadap kendali}

g .

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

(17)

intrakompleks pada LH1 dan LH2 sendiri terjadi pada skala waktu sub-pikodetik sampai beberapa puluh sub-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

(18)

- 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

(19)

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 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 1S0-2S00C) selama beberapa menit cukup untuk menghancurkan seluruh karotenoid yang ada [1].

Peluang dan Tantangan Karotenoid

Karotenoid sa at ini telah banyak digunakan sebagai pewarna a lam 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].

(20)

?

T

Q

J

O r+ fD 3 0 o

l S - , " c a . ÿ0 0 a .

c 3T V>

ÿ

t/

>

n QJ

t Q J c r 3 > o , p 4 fD r 7 7 4

3 O rO _ea

T 1

3

< J V

J

fD 77 QJ

V D

3

/

>

C

3 fD 3T

< fD c Q > * D v > fD c r Q

J _/>

c r Q J <3 C l Q j 3 fD 7 7 & > Q _ O J C _

c "D fD

Q _ O J 3 T

3 fD 3 _Ty

,

S QJ O

"

"O fD O

J

3-< O

J

O

J

3 r

*

f t 3 r

*

Q

J

3 _OQ cr OJ _OXJ 0> 3

,

Q

>

3 Q>

a » a . o Q J

3 fD 3 a>r3 _ea

-.

o

rt

»

3 o 3 rt» 3 3 a

» Q . Q J 3 O "

o _eg

.

3 <u 3T a

>

O

.

7

T ₃ Q 3 oa 3

"

a

>

3 cr a> r

*

S

"

3 QJ" c o

;

3 cu

3 "D fD A £

C

"D Q

_

a

>

3

T

O 3 a v

> Q . Q -3 ÿ 2 . e r a s = S 3 fD {/ > CU

o 77 C V

-o a > a . a > 3 T

fD r+ tf rt» Q

.

cv

,

3

o f? 3 O £

g " a . n > a . m Q J -t/ \ < p a r * f t a * y o t/ > Q J 3 </ > _ q > er a _B " ÿD

ID 3 Q

.

<t

>

O fO 3

"

16" 8

O

"

c a>ÿ g

,

i

; ' ' > . C a _ 3

L/k fD

Q J < 3 a> 3 -0 a . fD d

z QJ

cy a 3 0 J -0 CD o > r + 1s t fD 0 J n c n 0 1 a > Q J g " -n 3 " S 7 3 5 '

a c v ?r a

>

o 5 3 O a a

.

S ÿo a

;

3 00 o

_

m 3

"

ÿO fD 3 fD

o

_

fD 3

"

3 c S 0J 3 Q

. O 3 0 0 a t 3 n > " ? QJ C 3 & 7 0 3 Si Q -ÿ & ÿ Q > ÿ -T 3 " " S £ <£ 0 3 o o

o 3 CD fD

O 3 O

=

:

O 3 Q

>

3 Q

.

O CD

CD O 3

< a -o ÿ -o C n -2 . 2

bn QJ 01 ft 3 fD 3 </

> a « 3 ÿ 9 -5 o 3 T 5 -* 5 ? x

C NJ O O iD 03 QJ

0 ) 3 a . rt» n a > 0 3 ₈

S 3 03 fO 2

.

Q

-ID 3 O

N

J

P 03 O 3 m a

.

0

1

3 a

.

c o o 3T NJ

a > a > o a 3

I

?

?d 3 3

e ra

. -m 0 3 & ÿ o 3 " C -(U : " C X V fD -q -. J qT N J 3 8 m

03 QJ

£

9

s

a

3

y 3>

5P

otT 3 fD 3

fD 3 3

" O Q . H * < iD fD

<o«

e r a fD -r * Q > rt » s

o"D

0 0 Q > 3 Q .

O 0> fD 3 O ol s 3

§

ff

ÿo c S

"

Oc 2

Karctencid. Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio

Keberhasilan industri karotenoid ditopangoleh pengetahuan dasaryarig dibangun generasi demi generasi oleh ilmuwan dertgan sangat hati-hati dan teliti serta berdedikasi. Oleh sebab itu aplikasinya tidak dapat secara sempittertuju pada komersialisasi jangka pendekdanpewarna saja agar

tidak menghambat kemajuan sains karotenoid itu sendiri.

Jika dahulu perielitian tentang karotenoid fokus pada ketersediaan,

sintesis dan elusidasi, serta deskripsifenomena kimia dari biologi maka saat ini kita ditantang untuk menjawab pertanyaan tentang bagairnana karotenoid itu diproduksisecara bioteknologi, mekanisme kerja sebagai

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

I