Anabolisme Karbohidrat

Makhluk hidup membutuhkan energi untuk dapat beraktifitas dan sumber energi utamanya adalah karbohidrat. Penyedia karbohidrat utama adalah tumbuhan yang mampu berfotosintesis dan menghasilkan karbohidrat melalui proses anabolisme karbohidrat. Untuk lebih jelasnya mar kita pelajari lebih dalam seperti apa proses terbentuknya glukosa yan naninya akan menjadi karbohidrat pada tumbuhan.

A.                Fotosintesis

Tumbuh-tumbuhan dalam memenuhi keperluan hidupnya tentunya memerlukan nutrisi dan energi. Perolehan nutrisi dan energi pada tumbuhan hijau terjadi melalui suatu proses yang disebut fotosintesis (Rahman, 2012:7).

Fotosintesis disusun dari dua kata, foto dari bahasa latin photo atau phot yang berarti sinar dan sintesis dari kata synthesis yang artinya menggabungkan sesuatu menjadi sesuatu yang kompleks. Jadi arti kata fotosintesis secara keseluruhan adalah proses penggabungan CO₂ dan H₂O menjadi karbohidrat dalam kloroplas dengan bantuan cahaya. (Yudiarti, 2004:11) Cahaya tersebut dapat berupa cahaya matahari atau cahaya lainnya misalnya cahaya lampu yang memiliki panjang gelombang tertentu (Rahman, 2012:7).

Cahaya 6 CO2 + 6 H2O         C6H12O6 + 6 O2 Klorofil

Adapun reaksi kimia fotosintesis adalah sebagai berikut.

Proses fotosintesis terjadi di bagian kloroplas. Pada kloroplas terdapat sistem penangkap foton yang disebut pigmen fotosintetik. Pigmen yaitu substansi yang menyerap cahaya. Sekumpulan pigmen yang berwarna hijau yang ada dalam kloroplas disebut dengan klorofil (Yudiarti, 2004:11). Dengan adanya klorofil ini maka daun menjadi hijau dan pigmen ini dapat mengabsorbsi sinar dengan panjang gelombang 390-760 nm yang disebut sebagai sinar tampak yang dapat digunakan dalam proses fotosintesis. (Salisbury, 1995:22). Selain klorofil, terdapat pula pigmen pelengkap yaitu karotenoid. Pigmen ini berperan sebagai pelengkap penerima cahaya.

Secara umum, proses fotosintesis terbagi menjadi dua tahap, yaitu tahap reaksi terang dan tahap reaksi gelap. Reaksi terang yaitu reaksi yang bergantung pada ketersediaan cahaya matahari untuk menghasilkan energi. Reaksi ini menggerakkan sistem transfer elektron dan hidrogen dari air ke penerima (akseptor) yang disebut NADP⁺ sebagai penyimpan elektron berenergi ini. Reaksi ini terjadi di membran tilakoid. Secara ringkas, reaksi terang pada fotosintesis ini terbagi menjadi dua, yaitu fosforilasi siklik dan fosforilasi nonsiklik. Fosforilasi adalah reaksi penambahan gugus fosfat kepada senyawa organik untuk membentuk senyawa fosfat organik. Proses fosforilasi ini dibantu oleh adanya energi dari cahaya sehingga disebut juga fotofosforilasi. Fotofosforilasi adalah proses pembuatan ATP sebagai sumber energi dari ADP + Pi menggunakan energi dari cahaya. Sedangkan reaksi gelap merupakan reaksi yang tidak membutuhkan cahaya matahari karena enzim-enzim yang berperan di dalam reaksi ini mampu bekerja tanpa adanya cahaya matahari. Reaksi gelap terjadi di stroma. Walaupun demikian, reaksi gelap terjadi pada siang hari sebab karena itulah reaksi terang dapat menghasilkan kembali NADPH dan ATP yang digunakan dalam reduksi CO₂ menjadi gula (Campbell, 2002:185-186).

Komponen yang terlibat dalam sistem transport elektron meliputi:

1.      Fotosistem

·         Suatu sistem yang terdiri dari pigmen-pigmen penangkap cahaya matahari yang akan digunakan dalam reaksi terang.

·         Energi yang ditangkap ditransfer antara molekul fotosistem sampai mencapai molekul klorofil pada pusat reaksi

·         Pada membran tilakoid terdapat 2 tipe fotosistem yaitu fotosistem II dan I

a. Fotosistem II (FS II)

·         FS II terdapat pada kawasan pinggir tilakoid grana.

·         Mengandung sebuah kompleks inti yang terdiri dari 6 polipeptida integral dan berisi pusat reaksi P680.

·         Terdapat plastokuinon (PQ) yang merupakan kuinon di plasmid yang akan membawa 2 elektron dari FS II ke FS I

·         Fungsi keseluruhan fotosistem II adalah menggunakan energi cahaya untuk mereduksi plastokuinon teroksidasi menjadi bentuk yang tereduksi penuh (2PQH₂) dengan menggunakan elektron air.

o   2H₂O + 4 foton + 2PQ + 4H⁺  à O₂ + 4H⁺ + 2PQH₂

b. Fotosistem I (FS I)

·         Terletak hanya di tilakoid stoma dan di daerah tengah grana yang menghadap stroma.

·         Mengandung 11 polipeptida dan pusat reaksi P700.

·         Berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan protein Fe-S larut yang di sebut ferodoksin.

Cahaya + 4PC(Cu⁺) + 4 Fd(Fe³⁺) à 4PC(Cu²⁺) + 4Fd(Fe²⁺)

2.      Aseptor Elektron Primer

Terdiri dari dua macam:

·         Aseptor elektron primer yang ada dalam fotosistem I yaitu kuinon.

·         Aseptor elektron primer yang ada dalam fotosistem II yaitu filofitin

3.      Plastokuinon

4.      Sitokrom

5.      Plastosianin

6.      NADP ⁺ reduktase

7.      ATP syntase

Reaksi Terang

Fotofosforilasi Nonsiklik

Baik fotosistem I maupun fotosistem II merupakan sistem pigmen yang dapat menangkap energi sinar matahari yang kemudian diberikan kepada elektron. Dengan demikian maka zarah tersebut mempunyai kemampuan untuk mereduksi akseptor elektron. Pengaliran elektron dari air sampai akseptor elektron terakhir berlangsung sebagai berikut:

Jika pigmen dalam FS I itu menyerap foton sinar matahari maka P700 akan terangsang dan melepaskan elektronnya. Zarah itu kemudian diserap oleh pigmen lain yaitu P430, yang menyebabkan senyawa (pigmen) redoks tersebut tereduksi. Dengan demikian maka elektron yang ada pada pasangan redoks positif (FS I) dipindahkan ke pasangan redoks negatif (P430). Elektron yang ada pada P430 itu kemudian bisa dipindahtangankan ke NADP yang redoks potensinya lebih positif daripada P430.

Sebagai akibat dari lepasnya elektron pada P700 maka pigmen tersebut berada dalam keadaan teroksidasi yang dapat diibaratkan menjadi P700⁺. Kekurangan elektron pada pigmen tersebut diisi oleh elektron yang berasal dari FS II. Hal ini hanya bisa berlangsung apabila FS II dirangsang oleh foton sinar matahari yang kemudian berubah menjadi P680⁺. Pengisian kembali “lubang” yang ditinggalkan oleh elektron pada P680 dilakukan oleh elektron yang berasal dari H₂O (Martoharsono, 2006:84-85).

Dalam hal ini satu molekul H₂O melepaskan dua elektron yang diperlukan untuk mereduksi satu molekul NADP⁺ menjadi NADPH, dirangkaikan dengan pembentukan ATP dari ADP +Pi. Tingkat energi elektron yang mempunyai potensial oksidasi-reduksi elektropositif, yaitu sistem H₂O/O₂ (+0,82volt), dinaikkan ke tingkat energi dengan potensial elektronegatif, yaitu sistem NADPH/NADP⁺ (-0,32 volt). Di sini digunakan energi sinar matahari yang ditangkap oleh molekul P700 dari fotosistem I dan molekul P680 dari fotosistem II. Elektron yang tereksitasi di fotosistem II selanjutnya dialirkan ke fotosistem I melalui molekul penerima elektron; sitokrom 559 (sitokrom b3=cyt.b3), plastoquinon (PQ), sitokrom 553 (sitokrom f=cyt.f), plastosianin (PC), dan molekul P700 di fotosistem I. Pengangkutan elektron dari PQ ke cyt.f dirangkaikan dengan pembentukan ATP dari ADP+Pi. Sementara itu elektron yang telah tereksitasi di fotosistem I, dialirkan berturut-turut feredoksin (Fd) dan akhirnya ke NADP+, dimana molekul ini tereduksi menjadi NADPH (Wirahadikusumah,1985:106)

Energi yang tereksitasi oleh elektron disalurkan dari klorofil antena ke pasangan klorofil pusat reaksi yang disebut P680. Pusat reaksi dalam keadaan tereksitasi P680*, merupakan reduktor yang jauh lebih kuat dari status dasar. Dalam pikodetik eksitasi, satu elektron dipindahkan dari P680* ke feofitin terikat (Ph), suatu porifin yang identik dengan klorofil a, tetapi tidak mengandung Mg. Pusat reaksi menjadi suatu radikal kation, P680⁺.

Elektron selanjutnya pindah dari feofitin tereduksi ke plastokinon-terikat permanen pada situs Q_A. Lalu QH₂ memberikan elektron ke dalam suatu rantai elektron-pemompa proton yang berikatan dengan fotosistem I.

Platokinon tereduksi (QH₂) yang dihasilkan oleh fotosistem II memberikan elektronnya ke dalam kompleks sitokrom bf. Plastosianin tereduksi (PC) membawa elektron ke fotosistem I yang membentuk feredoksin tereduksi (Fd). Reduktor yang kuat ini memindahkan elektronnya ke NADP membentuk NADPH. Suatu gradien proton melintasi membran tilakoid (bagian dalam asam) terbentuk bila elektron mengalir melewati komplek sitokrom b. (Stryer, 1996: 662).

Mekanisme reaksi terang diawali dengan fotosistem II menyerap cahaya matahari sehingga elektron klorofil pada PS II. PS II akan mengambil elektron dari molekul H₂O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid.

Dengan menggunakan elektron dari air, PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH₂. Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H⁺ yang disebut sitokrom b₆-f kompleks. Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah:

2H₂O + 4 foton + 2PQ + 4H^- → 4H⁺ + O₂ + 2PQH₂

Sitokrom b₆-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH₂ dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC). Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H⁺ dari stroma ke membran tilakoid. Reaksi yang terjadi pada sitokrom b₆-f kompleks adalah:

2PQH₂ + 4PC(Cu²⁺) → 2PQ + 4PC(Cu⁺) + 4 H⁺ (lumen)

Elektron dari sitokrom b₆-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H₂O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu. Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin. Reaksi keseluruhan pada PS I adalah:

Cahaya + 4PC(Cu⁺) + 4Fd(Fe³⁺) → 4PC(Cu²⁺) + 4Fd(Fe²⁺)

Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP⁺ dan membentuk NADPH.Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP⁺ reduktase. Reaksinya adalah:

4Fd (Fe²⁺) + 2NADP⁺ + 2H⁺ → 4Fd (Fe³⁺) + 2NADPH

Ion H⁺ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase. ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H⁺ melintasi membran tilakoid. Masuknya H⁺ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP. Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut:

Sinar + ADP + Pi + NADP⁺ + 2H₂O → ATP + NADPH + 3H⁺ + O₂

a.      Reaksi Fotofosforilasi Siklik

Fotofosforilasi adalah proses pembuatan ATP sebagai sumber energi dari ADP + Pi menggunakan energi dari cahaya.

 

Fosforilasi dapat terjadi secara siklik yaitu proses pembuatan ATP yang hanya menggunakan fotosistem I. Jalurnya disebut siklik karena elektron dari pusat reaksi P700 pada fotosistem I melalui reaksi yang pada akhirnya akan kembali ke pusat reaksi P700. Ketika ada cahaya mengenai pusat reaksi P700 elektron pada P700 akan tereksitasi dan menjadi berenergi dan akan mengalirkan elektron ke kompleks reseptor elektron didekatnya. Molekul yang tereksitasi yaitu yang menerima energi dari foton cenderung tidak stabil dan akan melepas energi yang dimilikinya ke molekul di dekatnya yang kemudian meneruskan elektron tersebut ke kompleks Phyloquinnon, Fe-S dan Ferodoxin, tetapi tidak sampai ke NADP sehingga tidak terbentuk NADPH. Elektron tersebut akan diteruskan kembali ke kompleks sitokrom B6f, yang akan memindahkan proton dari stroma ke lumen tilakoid melalui beberapa sitokrom yaitu sitokrom 4 subunit yang terdiri dari sebuah sitokrom dengan 2 heme tipe b, protein Fe-S, dan sitokrom f. (Stryer.2012:575)

Kompleks sitokrom akan mengkatalis proses perpindahan elektron ke plastocyanin, sementara 2 proton dilepas ke ruang tilakoid yang nantinya akan menimbulkan gradien proton(Stryer.2012:576).

Pada kloroplas arah pergerakan proton dari stroma menuju ruang tilakoid sehingga ruang tilakoid menjadi ber pH rendah dengan jumlah proton yang berlebih di ruang tilakoid, hal ini membuat proton H+ akan terpompa keluar melalui ATP sintase menghasilkan pergerakan yang mensintesis ADP + Pi menjadi ATP yang terjadi di stroma (Stryer.2012:578)

Sementara itu elektron dari kompleks sitokrom B6f elektronnya diteruskan menuju plastocyanin.Plastocyaninkemudian akan meneruskan elektron kembali ke pusat reaksi P700. Reaksi siklik ini tidak menghasilkan NADPH dan O₂, sehingga melalui reaksi ini tumbuhan dapat mengatur perbandingan jumlah ATP dan NADPHnya terkait dengan jumlah kebutuhan ATP dan NADPH saat reaksi gelap (David, Michael.2004:741-742)

Reaksi gelap

Reaksi gelap merupakan reaksi lanjutan dari reaksi terang dalam fotosintesis. Reaksi ini tidak membutuhkan cahaya. Reaksi gelap terjadi pada bagian kloroplas yang disebut stroma. Bahan reaksi gelap adalah ATP dan NADPH, yang dihasilkan dari reaksi terang, dan CO₂, yang berasal dari udara bebas. Dari reaksi gelap ini, dihasilkan glukosa (C₆H₁₂O₆), yang sangat diperlukan bagi reaksi katabolisme. Reaksi ini ditemukan oleh Melvin Calvin dan Andrew Benson, karena itu reaksi gelap disebut juga reaksi Calvin-Benson.

Dalam reaksi gelap terjadi proses fiksasi karbon, reduksi dan regenerasi.

1. Fiksasi Karbon

Fiksasi Karbon : rubisco mengkarboksilasi CO2 dengan ribulosa 1,5 bifosfat  membentuk gula 6 carbon yang tidak stabil. Kemudian terjadi hidroksilasi pada atom C-3 karbon tersebut dan menyebabkan pemisahan aldol membentuk 3-fosfogliserat, satu gugus karbon beranion (carbanion) masih melekat pada sisi aktif enzim, karbon yang melekat ini diberi proton oleh protein Lysin 175 membentuk 3-fosfogliserat kedua (Lehninger:756)

Kemudian 3-fosfogliserat ini akan diubah menjadi 1,3 bifosfogliserat menggunakan energi dari ATP yang selanjutnya diubah menjadi gliseraldehid 3 -fospat dengan bantuan energi dari NADPH. Di sini dengan bantuan isomerase gliseraldehid 3-fospat dapat diubah menjadi dihidroksi aseton untuk reaksi asimilasi selanjutnya atau tetap dalam bentuk gliseraldehid 3-fospat untuk digabungkan dengan dihidroksi aseton membentuk fruktosa 1,6 bifosfat yang akan digunakan untuk siklus selanjutnya(Lehninger:758)

DAFTAR PUSTAKA

            Campbell, Neil A. Biologi Edisi Kelima Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
            Nelson, David L., M. Cox., 2004. Lehninger Principle of Biochemistry.4th.Ed. New York : WH.Freeman Co.

            Rahman, Taufik. 2012. Nutrisi dan Energi Tumbuhan. Bandung:

Universitas Pendidikan Indonesia.

            Salisbury, Frank B dan Cleon W. Ross. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid 2.

Bandung: ITB. 
            Stryer, Lubert et al.. 2012. Biochemistry.7th.Ed. New York : W.H Freeman 

            Yudiarti, Turrini. 2004. Buku Ajar Biologi. Semarang: UNDIP.