KONVERSI ENERGI

KONVERSI ENERGI

Sel memiliki kemampuan yang sangat baik dalam mengatur porsi energi bagi sel. Berdasarkan hokum termodinamika I bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan melainkan dapat diubah dari satu bentuk ke dalam bentuk yang lain. Energi yang terdapat di alam berupa energi potensial yang dapat diubah menjadi energy kinetik oleh tubuh manusia melalui pemanfaatan organel sel yang mampu membentuk (kloroplas) dan menggunakan energi (mitokondria) yang ada.

A.  Anabolisme (Pembentukan Energi Potensial Sel)

·         Merupakan reaksi kimia penyusunan/pembentukan senyawa kompleks dari senyawa sederhana yang bertujuan menghasilkan energi dan bahan makanan sebagai sumber energi.

·         Komponen esensialnya berupa:

a.    Bahan baku (CO₂ dan H₂O)

b.    Cahaya (paling banyak merah dan biru)

c.    Pigmen (terutama klorofil)

d.   Fotosistem I dan II sebagai penerima energi cahaya pada panjang gelombang PI 700 nm dan PII 680 nm

e.    Suhu (antara 5-40^oC)

f.     Molekul pembawa dan enzim

g.    Terjadi di kloroplas (Gambar 1) tepatnya di grana dan tilakoid (untuk reaksi terang), dan stroma (untuk reaksi gelap)

Gambar 1. Struktur Kloroplas

·         Hasil berupa zat tepung (amilum) dan oksigen

·         Contoh reaksi anabolisme adalah reaksi asimilasi (reaksi fotosintesis)

·         Reaksi fotosintesis: 6CO₂ + 6H₂O à C₆H₁₂O₆ + 6O₂

·         Fotosintesis memiliki 2 rangkaian reaksi kompleks, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.

1.    Reaksi terang/reaksi butuh cahaya/reaksi Hill/fotolisis air: terjadi pemecahan molekul air dengan bantuan cahaya. Berdasarkan aliran elektron pada fotosintesis, maka dibagi menjadi dua dalam Tabel berikut:

Aliran elektron siklik	Aliran elektron nonsiklik
·      Menggunakan fotosistem I saja ·      Elektron dari fotosistem I di-recycle ulang ·      Hanya menghasilkan ATP saja	·        Menggunakan fotosistem I dan II ·        Elektron dari PII digantikan oleh donor elektron air ·        Sintesis ATP dan NADPH ·        Mengubah molekul air menjadi O2

Rangkaian reaksi sebagai berikut:

	cahaya

 

klorofil                        klorofil tereksitasi

 

                                2 H₂O                          2H+ + ½ O₂ + 2e^-

Gambar 2. Rangkaian Reaksi Terang

2.      Reaksi gelap/reaksi tak butuh cahaya/Siklus Calvin/Fiksasi CO₂

·      CO2 + RDP (RuBP) + enzim Rubisco à 2 APG (PGA) . . . . . . .(reaksi fiksasi)

·      2 APG (PGA) + ATP + NADPH à 12ALPG (PGAL) . . . . . .(reaksi raduksi)

·      Dari 12 ALPG (PGAL), 10 PGAL akan di kembalikan ke RDP . . . .(reaksi renegenerasi) dan 2 PGAL akan membantuk amilum (Gambar 3.).

Gambar 3. Rangkaian Reaksi Gelap

Macam-Macam Reaksi Gelap

a.      Asimilasi jalur C3 (Nama Lain Jalur Calvin Benson)

Tanaman C3 lebih adaptif pada kondisi kandungan CO2 atmosfer tinggi. Sebagian besar tanaman pertanian, seperti gandum, kentang, kedelai, kacang-kacangan, dan kapas merupakan tanaman dari kelompok C3.

Pada tanaman C3, enzim yang menyatukan CO2 dengan RuBP (RuBP merupakan substrat untuk pembentukan karbohidrat dalam proses fotosintesis) dalam proses awal assimilasi, juga dapat mengikat O2 pada saat yang bersamaan untuk proses fotorespirasi ( fotorespirasi adalah respirasi,proses pembongkaran karbohidrat untuk menghasilkan energi dan hasil samping, yang terjadi pada siang hari) . Jika konsentrasi CO2 di atmosfir ditingkatkan, hasil dari kompetisi antara CO2 dan O2 akan lebih menguntungkan CO2, sehingga fotorespirasi terhambat dan assimilasi akan bertambah besar.

Tumbuhan C3 harus berada dalam area dengan konsentrasi gas karbondioksida yang tinggi sebab Rubisco sering menyertakan molekul oksigen ke dalam Rubp sebagai pengganti molekul karbondioksida. Konsentrasi gas karbondioksida yang tinggi menurunkan kesempatan Rubisco untuk menyertakan molekul oksigen. Karena bila ada molekul oksigen maka Rubp akan terpecah menjadi molekul 3-karbon yang tinggal dalam siklus Calvin, dan 2 molekul glikolat akan dioksidasi dengan adanya oksigen, menjadi karbondioksida yang akan menghabiskan energi.

Pada tumbuhan C3 terjadi pelepasan dan pembentukan energy sekaligus, sehingga energy yang dihasilkan dalam pembentukan bahan makanan akan langsung ikut terurai. CO2 hanya difiksasi RuBP oleh karboksilase RuBP. Karboksilase RuBP hanya bekerja apabila CO2 jumlahnya berlimpah. Contoh tanaman C3 antara lain : kedelai, kacang tanah, kentang.

b.      Asimilasi Jalur C4

Tumbuhan C4 dan CAM lebih adaptif di daerah panas dan kering. Pada tanaman C4, CO2 diikat oleh PEP (enzim pengikat CO2 pada tanaman C4) yang tidak dapat mengikat O2 sehingga tidak terjadi kompetisi antara CO2 dan O2. Lokasi terjadinya assosiasi awal ini adalah di sel-sel mesofil (sekelompok sel-sel yang mempunyai klorofil yang terletak di bawah sel-sel epidermis daun).

Pada sintesis C4,enzim karboksilase PEP memfiksasi CO2 pada akseptor karbon lain yaitu PEP. Karboksilase PEP memiliki daya ikat yang lebih tinggi terhadap CO2 daripada karboksilase RuBP. Oleh karena itu,tingkat CO2 menjadi sangat rendah pada tumbuhan C4,jauh lebih rendah daripada konsentrasi udara normal dan CO2 masih dapat terfiksasi ke PEP oleh enzim karboksilase PEP. Sistem perangkap C4 bekerja pada konsentrasi CO2 yang jauh lebih rendah.

Tumbuhan C₄ dinamakan demikian karena tumbuhan itu mendahului siklus Calvin yang menghasilkan asam berkarbon -4 sebagai hasil pertama fiksasi CO₂ dan yang memfiksasi CO₂ menjadi APG di sebut spesies C₃, sebagian spesies C₄ adalah monokotil (tebu dan jagung).

c.       Asimilasi Jalur CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Tumbuhan C4 dan CAMlebih adaptif di daerah panas dan kering. Crassulacean acid metabolism ( CAM), tanaman ini mengambil CO2 pada malam hari, dan mengunakannya untuk fotosistensis pada siang harinya. Tumbuhan CAM yang dapat mudah ditemukan adalah nanas, kaktus, dan bunga lili.

Tanaman CAM , pada kelompok ini penambatan CO2 seperti pada tanaman C4, tetapi dilakukan pada malam hari dan dibentuk senyawa dengan gugus 4-C. Pada hari berikutnya ( siang hari ) pada saat stomata dalam keadaan tertutup terjadi dekarboksilase senyawa C4 tersebut dan penambatan kembali CO2 melalui kegiatan RuBP karboksilase. Jadi tanaman CAM mempunyai beberapa persamaan dengan kelompok C4 yaitu dengan adanya dua tingkat sistem penambatan CO2.

Pada C4 terdapat pemisahan ruang sedangkan pada CAM pemisahannya bersifat sementara. Termasuk golongan CAM adalah Crassulaceae, Cactaceae, Bromeliaceae, Liliaceae, Agaveceae, Ananas comosus, dan Oncidium lanceanum. Beberapa tanaman CAM dapat beralih ke jalur C3 bila keadaan lingkungan lebih baik.

Gambar 4. Asimilasi Karbon Jalur C4 dan CAM

Perbedaan antara ketiga jalur asimilasi karbon dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

B.  Katabolisme (Penggunaan Energi Kinetik Sel)

·         Merupakan reaksi pemecahan/pembongkaran/penguraian senyawa berukuran besar (kompleks) menjadi senyawa berukuran kecil (sederhana) untuk menghasilkan energi.

·         Contoh reaksi katabolisme adalah Respirasi sel dengan rangkaian reaksi:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ à 6CO₂ + 6H₂O + ATP

·         Terjadi di dalam sitoplasma dan mitokondria.

Gambar 5. Struktur Mitokondia

·          Respirasi dibagi menjadi 2, yaitu:

a.    Respirasi aerob: respirasi yang membutuhkan oksigen bebas, kemudian digunakan dalam oksidasi bahan makanan dan membebaskan energi. Terbagi menjadi 4 tahapan reaksi:

Ø Glikolisis: terjadi di sitoplasma, merupakan reaksi pemecahan 1 mol glukosa menjadi 2 mol asam piruvat

Ø Dekarboxilasi oksidatif: terjadi di mitokondria, merupakan reaksi perombakan 2 mol asam piruvat menjadi 2 mol Asetil KoA

Ø Siklus krebs: terjadi di matriks mitokondria, merombak 2 mol asetil KoA dengan bantuan asam oksaloasetat membantuk 2 mol asam sitrat.

Ø  Siklus transport elektron: terjadi di membran dalam mitokondria, mengubah molekul NADH dan FADH₂ dari 3 reaksi sebelumnya menjadi ATP dan melepaskan H₂O sebagai hasil akhir pengikatan oleh oksigen.

b.   Respirasi anaerob: respirasi terjadi pada sel-sel atau jaringan yang tidak membutuhkan oksigen bebas untuk oksidasi bahan makanan. Contoh reaksi respirasi anaerob:

Ø Fermentasi alkohol (peragian) dilakukan oleh jamur bersel satu Saccarimyces cerevisiae. Dengan reaksi:

	glikolisis		Saccarimyces cerevisiae

 

  C₆H₁₂O₆                         2 asam piruvat        2 asetaldehida                                      2 etanol

  + 2 ATP

Ø Fermentasi asam cuka oleh bakteri Bacterium aceti dengan reaksi:

C₆H₁₂O₆ à 2C₂H₅OH + 2CO₂

	Bacterium aceti

 

2C₂H₅OH                              2CH₃COOH + 2H₂O + 2 ATP

Ø Fermentasi asam laktat

C₆H₁₂O₆ à2 asam piruvat à 2 asam laktat + 6CO₂ + 2 ATP