ZAT-ZAT ESENSIAL BIOKIMIA

PENDAHULUAN

Perkembangan Ilmu Kimia hingga sekitar awal abad ke-18 telah menarik perhatian para ahli untuk mempelajari/meneliti tentang perbedaan antara zat-zat organik (zat-zat dalam mahluk hidup) dan zat-zat anorganik (zat-zat di luar mahluk hidup). Sebelumnya, mahluk hidup dipandang terdiri dari zat-zat (unsur-unsur/molekul-molekul/senyawa-senyawa) yang memiliki kekuatan vital, yang hanya dapat terbentuk dalam mahluk hidup (tidak dapat terbentuk di luar mahluk hidup). Pandangan seperti ini gugur sesudah Friedrick Wohler pada tahun 1828 mengemukakan penemuannya, yaitu bahwa urea yang dikenal sebagai suatu zat organik (karena terbentuk dalam ginjal manusia/hewan) ternyata dapat terbentuk di luar mahluk hidup dengan memanaskan suatu zat anorganik, yaitu ammonium sianat.
Sejak gugurnya pandangan tersebut, zat-zat yang terbentuk dalam mahluk hidup disebut bioorganik dan proses pembentukan bioorganik ini dalam mahluk hidup disebut biosintesis; zat-zat yang rumus molekulnya dapat dibentuk sama dengan rumus molekul salah satu bioorganik, tapi dibentuk di luar mahluk hidup (disintesis), disebut organik sintetik. Sederap dengan disintesisnya ribuan senyawa organik sintetik maka kemajuan-kemajuan dalam teknik ekstraksi serta analisis instrumental yang canggih telah makin banyak jenis bioorganik yang berhasil diungkapkan.
Dalam tahun 1940-an, Justus Von Liebig mempublikasikan penemuannya bahwa panas yang timbul dalam tubuh hewan bukanlah karena adanya kekuatan vital unsur-unsur/molekul-molekul/senyawa-senyawa/zat-zat dalam tubuh hewan yang bersangkutan, melainkan karena adanya proses (yang disebut metabolisme) dalam tubuh hewan tersebut. Sementara itu, Matthais Schleiden dan Theodore Schwaan mengemukakan bahwa terdapat unit struktural dasar yang merupakan satuan kehidupan yang paling sederhana dari mahluk hidup (organisme), yaitu sel. Hasil-hasil penelitian lanjutan yang terkait dengan metabolisme dan karakterstik zat-zat dalam sel-sel berbagai mahluk hidup (organisme) hingga dewasa ini telah menghantarkan pemahaman pada konsep-konsep esensial metabolisme. Dalam konsep-konsep ini, zat-zat dalam sel-sel tersebut adalah molekul-molekul bioorganik dan merupakan molekul-molekul sel-sel tersebut sehingga dapat disebut biomolekul. Karbohidtrat, lipid, protein, dan asam nukleat yang terbentuk dalam sel-sel tersebut merupakan jenis-jenis biomolekul yang dapat berbentuk polimer di antara berbagai jenis biomolekul lainnya. Seiring dengan hal ini, biokimia telah dipandang merupakan suatu bidang ilmu.

TINJAUAN PUSTAKA
A. METABOLISME

Metabolisme merupakan proses biokimia di dalam organisme. Metabolisme biasanya terdiri atas tahapan-tahapan yang melibatkan enzim. Metabolisme mencakup sintesis dan penguraian makanan di dalam tubuh secara kompleks. Untuk melakukan metabolisme, pada mikroorganisme membutuhkan sumber energi berupa karbohidrat, protein, lemak, mineral dan zat-zat gizi yang terdapat dalam bahan pangan. Dalam proses fermentasi tampaknya mikroorganisme pertama kali akan menyerang karbohidrat, kemudian protein dan selanjutnya lemak. Bahkan terjadi tingkatan penyerangan terhadap karbohidrat yaitu terhadap gula, kemudian alkohol. Baru setelah itu terhadap asam.
Metabolisme merupakan modifikasi senyawa kimia secara biokimia di dalam organisme dan sel. Metabolisme mencakup sintesis (anabolisme) dan penguraian (katabolisme) molekul organik kompleks. Metabolisme biasanya terdiri atas tahapan-tahapan yang melibatkan enzim, yang dikenal pula sebagai jalur metabolisme. Metabolisme total merupakan semua proses biokimia di dalam organisme. Metabolisme sel mencakup semua proses kimia di dalam sel. Tanpa metabolisme, makhluk hidup tidak dapat bertahan hidup.Produk metabolisme disebut metabolit. Cabang biologi yang mempelajari komposisi metabolit secara keseluruhan pada suatu tahap perkembangan atau pada suatu bagian tubuh dinamakan metabolomika. Metabolisme merupakan total reaksi kimia yang terjadi didalam tubuh makhluk hidup untuk kelangsungan kehidupannya. Secara keseluruhan reaksi-reaksi tersebut bertanggungjawab untuk menjaga availabilitas organisme. Reaksi-reaksi tersebut secara sendiri-sendiri mungkin tidak penting, tetapi secara keseluruhan dalan jejaring akan membentuk puzzle yang sangat dibutuhkan untuk keseimbangan fungsi biokimia. Adanya gangguan pada salah satu reaksi akan menyebabkan abnormalitas metabolisme. Metabolisme primer akan membentu metabolit primer. Metabolisme sekunder membentuk metabolit sekunder. Metabolit intermediet: reaksi yang terletak antara metprimer dan sekunder dan menghasilkan energi untuk berlangsungnya suatu reaksi..Metabolit sekunder merupakan suatu bentuk untuk survival/pertahanan diri.Tanamantidak dapat berpindah tempat. Misal tanaman pada lahan yang tercemar, agar tetapsurvive maka akan membentuk metabolit sekunder.Uk Misal; pada tanaman tembakaudapat membentuk asam salisilat sebagai antibodi. Bila tembakau terkena virus makaproduksi asam salisilat akan tinggi dan dalam tembakau dapat melakukan proses metilasi pada as salisilat menjadi metil salisilat.Misal; tanaman membentuk suatuphytoaleksinBerdasarkansifat: Metabolit/zat aktif Metabolit/Zat inert Berdasarkan reaksi/keaktifan: Zat aktif farmasetis Zat aktif farmakologik penghambatan karsinogenensis, anti-tumor, antivirus, anti-oksidasi (peroksidasi lipida, lipoksigenase, oksidasi xanthin, dan oksidasi monoamin), anti hipertensi ,(anti bakteri dan jamur, anti-diabetes, dan anti nematoda. Metabolit sekunder bagi tanaman sebenarnya juga toksik. Ini dapat diatasi dengan: Akan dibentuk glukosida Metabolisme sekunder toksikglukosida (larut air) Sehingga ketoksikan berkurang dan dapat ditransport ke vakuola (bila mengekstraksi tanaman akan diperoleh banyak glikosida) Biosintesis Metabolit Sekunder Faktor Luar: Letak geografis (iklim, suhu, jenis tanah, lingkungan), m.o patogen, sinar matahari Faktor dalam; genetis
Secara umum metabolisme terbagi atas dua bagian yaitu: Katabolisme merupakan reaksi peluruhan (degradasi) yang menghasilkan energi dan merupakan fase metabolisme yang bersifat menguraikan yang menyebabkan molekul organik nutrien seperti karbohidrat, lipid dan protein yang datang dari lingkungan atau cadangan makanan sel itu sendiri terurai di dalam reaksi-reaksi bertahap menjadi produk akhir yang lebih kecil dan sederhana, seperti asam laktat, CO2, dan amonia. Katabolisme diikuti oleh pelepasan energi bebas yang telah tersimpan di dalam struktur kompleks molekul organik yang lebih besar tersebut. Pada tahap-tahap tertentu di dalam lintas katabolik, banyak dari energi bebas ini yang disimpan, melalui reaksi-reaksi enzimatik yang saling berkaitan, di dalam bentuk molekul pembawa energi adenosin trifosfat ( ATP ). jalur katabolisme akan terjadi penguraian senyawa menjadi komponen yang lebih kecil. Misalnya, katabolisme glukosa akan terurai menjadi karbon dioksida (CO2) dan air (H2O). Di dalam proses katabolisme sejumlah energi dilepaskan; sebagian dipakai oleh sel dan sisanya hilang sebagai panas. Produksi energi untuk keperluan sel terjadi dalam tiga tahap;
(1) molekul-molekul besar komponen makanan seperti protein, pati, lemak dipecah selama proses pencernaan dan penyerapan menjadi molekul-molekul yang lebih kecil seperti asam amino, monosakarida dan asam lemak
(2) sebagian besar molekul-molekul yang lebih sederhana ini selanjutnya diuraikan menjadi senyawa antara (intermediate) yang terdiri dari dua atom karbon yakni asam asetat (CH3COOH), dan
(3) asam asetat dipecah menjadi air dan karbon dioksida.
Elektron dan ion hidrogen yang dilepaskan selama proses metabolisme ini disumbangkan ke atom oksigen membentuk air. Sebahagian energi yang dihasilkan di dalam proses katabolisme ini memicu sintesa adenosin triphosphat (ATP). ATP adalah energi di dalam suatu bentuk yang digunakan sel.
Anabolisme merupakan anabolisme merupakan reaksi sintesis yang memerlukan energi dan merupakan fase pembentukan atau sintesis dari metabolisme, molekul pemula atau unit pembangun yang lebih kecil disusun menjadi makromolekul besar yang merupakan komponen sel, seperti protein dan asam nukleat, karena biosintesis mengakibatkan peningkatan ukuran dan kompleksitas struktur, proses ini memerlukan input energi bebas, yang diberikan oleh pemecahan ATP menjadi ADP dan fosfat. Melalui jalur anabolisme terbentuk senyawa. Diperlukan sejumlah energi supaya proses anabolisme terjadi. Reaksi kimia yang terjadi meliputi sintesis dari ikatan .C-C- (sintesa asam lemak), ikatan .CO-N- (sintesa protein), ikatan C-N- (sintesis urea), dan ikatan .C-O- (sintesa trigliserida) memerlukan energi. Unsur kimia dan senyawa digunakan untuk membentuk senyawa baru yang lebih besar.











Gambar-1. Hubungan antara photosynthetic autotrophs dan heterotrophs
Berbeda dengan mahluk hidup heterotrophs (hewan dan manusia) yang mendapatkan energi secara mutlak melalui katabolisme zat-zat makanan yang dimakannya ( karbohidrat, lemak, protein, dan zat lainnya yang bersumber dari mahluk hidup), tumbuhan dan beberapa mikroorganisme yang mempunyai pigmen fotosintetik mendapatkan energi dari cahaya matahari (photosynthetic autotrophs) melalui anabolisme. Rangkaian reaksi-reaksi anabolisme seperti ini disebut fotosintesis. Meskipun dalam sel-sel tumbuhan terjadi juga katabolisme (respirasi atau dengan istilah fotorespirasi), namun bukanlah sama percis dengan katabolisme pada mahluk hidup heterotrophs tersebut. Pada proses fotosintesis, tumbuhan mengambil gas karbon dioksida (CO2) dari udara dan mengeluarkan gas oksigen (O2) ke udara; pada proses respirasi, tumbuhan mengambil gas O2 dari udara dan mengeluarkan gas CO2 ke udara (Gambar-2).


Gambar-2. Keberadaan tumbuhan untuk fotosintesis dan respirasi
2.1. Fotosintesis
Pada proses fotosintesis, tumbuhan umumnya mendapatkan gas CO2 dari udara dan air (H2O) dari tanah serta klorofilnya menangkap energi dari cahaya matahari (Gambar-2). Semua bagian tumbuhan yang mengandung klorofil ( merupakan pigmen warna hijau) dalam organel kloroplas (tempat berlangsungnya fotosintesis) akan menangkap energi dari cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia (energi yang tersimpan sebagai energi ikatan-ikatan kimia dalam senyawa-senyawa sumber energi yang dibutuhkan, terutama glukosa) melalui proses fotosintesis. Di antara sel-sel epidermis daun terdapat stomata (pori kecil) yang berfungsi sebagai pengatur masuknya gas CO2 dari udara dan keluarnya gas O2 ke udara selama fotosintesis berlangsung (Gambar-3). Persamaan reaksi fotosintesis secara sederhana dapat dituliskan sebagai berikut:

Gambar-3. Organel tempat berlangsungnya fotosintesis
Sebenarnya, klorofil hanyalah merupakan salah satu komponen dari perangkat fotosintesis. Perangkat fotosintesis ini, yang disebut fotosistem, merupakan suatu unit yang dapat menangkap energi cahaya matahari. Fotosistem ini terdapat dalam dua kategori, yaitu fotosistem yang optimal menyerap cahaya matahari pada panjang gelombang 700 nm, yang disebut fotosistem yang pusat reaksinya pada P700 (PS I), dan fotosistem yang optimal menyerap cahaya matahari pada panjang gelombang 680 nm, yang disebut fotosistem yang pusat reaksinya pada P680 (PS II).
Proses fotosintesis bukanlah reaksi tunggal melainkan terdiri dari beberapa tahap reaksi yang kompleks. Sehubungan dengan hal ini, Frederick Blackman dalam sekitar tahun 1905-an telah menunjukkan bahwa rangkaian reaksi-reaksi fotosintesis merupakan rangkaian dalam reaksi terang dan reaksi gelap; reaksi gelap ini merupakan reaksi yang keberlangsungannya bukan terkait secara langsung pada ada tidaknya cahaya matahari, melainkan merupakan sebuah siklus dan telah lazim disebut siklus Calvin (berlatarbelakang dari nama penemunya).

Gambar-4. Reaksi terang dalam fotosintesis
Reaksi terang (Gambar-4) diawali pada saat PS II menangkap energi cahaya matahari (elektron kompleks klorofil pada PS II menjadi tereksitasi). Dengan demikian, muatan pada PS II tersebut menjadi tidak stabil sehingga selanjutnya menarik elektron dari molekul H2O yang ada di sekitarnya. Hal ini mengakibatkan terjadinya reaksi pemecahan H2O dalam lumen tilakoid menjadi elektron (e−), ion hidrogen (H+), dan gas oksigen (O2). Reaksi ini menjadi sumber elektron ke PS II selama setiap elektron yang telah tereksitasi pada PS II mereduksi plastokuinon (PQ) menjadi PQH2. Proses yang terjadi pada plastokuinon ini (yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid) mendorong electron tersebut memasuki suatu kompleks, yang disebut kompleks sitokrom b6-f (yang juga terdapat pada membran tersebut), sehingga kompleks sitokrom b6-f tersebut menjadi merupakan pemompa H+ dari stroma ke lumen tilakoid. Persamaan reaksi yang terkait dengan PS II ini dapat dituliskan sebagai berikut: 4H2O + 4 foton + 2PQ → 4H+ + 4e − + 2O2 + 2PQH2 .
Kompleks sitokrom b6-f, di samping merupakan pemompa H+, juga merupakan penghantar elektron dari PS II ke PS I melalui reaksi oksidasi PQH2 dan reduksi protein kecil yang mengandung tembaga, yang disebut plastosianin (PC). Persamaan reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut: 2PQH2 + 4PC(Cu2+) → 2PQ + 4PC(Cu+) + 4 H+ (lumen tilakoid).
Dengan terhantarnya elektron ke PS I melalui rangkaian proses/reaksi-reaksi tersebut di atas (yang mana PS I ini menangkap energi cahaya matahari) maka PS I dapat menghantarkan elktron tersebut ke protein yang mengandung Fe-S, yang disebut feredoksin (Fd), melalui reaksi oksidasi plastosianin yang telah tereduksi. Persamaan reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut: Cahaya matahari + 4PC(Cu+) + 4Fd(Fe3+) → 4PC(Cu2+) + 4Fd(Fe2+). Elektron dari feredoksin tersebut berperan mereduksi nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADP +) menjadi NADPH. Reaksi ini berlangsung dalam stroma dan dikatalisis oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase (FNR). Persamaan reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut: 4Fd (Fe2+) + 2NADP+ + 2H+ → 4Fd (Fe3+) + 2NADPH.
Ion H+ yang telah terpompa ke dalam lumen tilakoid bergerak melintasi membran tilakoid melalui kompleks enzim ATP- sintase. Dengan demikian, enzim ini dapat mengkatalisis proses pembentukan adenosin trifosfat (ATP) dari adenosine difosfst (ADP) dan fosfat inorganik (Pi) secara serangkaian dengan proses penghantaran elektron dan ion H+ melintasi membran tilakoid; persamaan keseluruhan reaksi terang dapat dituliskan sebagai berikut: Cahaya matahari + ADP + Pi + NADP+ + 2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2. Rangkaian proses/reaksi terang tersebut di atas menangkap energi dari cahaya matahari, lalu mengubahnya dan tersimpan sebagai energi ikatan-ikatan kimia dalam senyawa bentuk ATP dan NADPH (sebagai hasil rangkaian proses/reaksi terang tersebut). NADPH dan ATP ini berperan dalam reaksi gelap (siklus Calvin) (Gambar-5).
Dalam perkembangan lebih lanjut, telah diketahui bahwa dalam reaksi gelap pada sejumlah jenis tumbuhan dapat juga terjadi siklus lainnya di samping siklus Calvin. Suatu siklus di samping siklus Calvin ini (Gambar-6) telah lazim disebut siklus Hatch-Slack (berlatar belakang dari nama penemunya). Siklus Calvin diawali dengan terbentuknya senyawa 3-phosphoglycerate acid (PGA); sedangkan siklus Hatch-Slack diawali dengan terbentuknya senyawa oxaloacetate (OAA). Berdasarkan hal ini, tumbuhan yang reaksi gelapnya diawali dengan terbentuknya senyawa PGA, yaitu senyawa yang memiliki tiga atom karbon, telah lazim disebut tumbuhan C-3; dan yang reaksi gelapnya diawali dengan terbentuknya senyawa OAA, yaitu senyawa yang memiliki empat atom karbon, telah lazim disebut tumbuhan C-4.



Gambar-5. Reaksi gelap (siklus Calvin) dalam fotosintesis tumbuhan C-3.

Pada siklus Calvin (pada tumbuhan C-3, yang umumnya merupakan tumbuhan tingkat tinggi), enzim ribulosebiphosphate carboxylase oxygenase (rubisco) mengkatalisis ribulosebiphosphate (RuBP) mengikat gas CO2 sehingga terbentuk PGA. RuBP ini bukan hanya dapat mengikat gas CO2, tetapi juga mengikat gas O2, yang juga dikatalisis oleh enzim rubisco tersebut . Oleh karena itu, RuBP dan enzim rubisco tersebut dapat juga berperan melangsungkan respirasi, dengan istilah fotorespirasi, dalam kondisi tertentu yaitu proses pemecahan glukosa hasil fotosintesis dengan tersedianya gas O2 (umumnya berlangsung pada siang hari). Proses ini dapat menyebabkan penurunan jumlah glukosa tersebut dari yang seharusnya.
Siklus Calvin tersebut merupakan tiga fase, yaitu fase fiksasi gas CO2 (proses pengikatan gas CO2 oleh RuBP membentuk PGA yang dikatalisis oleh enzim rubisco); fase reduksi (proses peran H+ dari NADPH mereduksi PGA sampai terbenuk glukosa); dan fase regenerasi (proses pembentukan RuBP). Ketiga fase ini adalah rangkaian proses/reaksi yang dimulai dari RuBP mengikat gas CO2 membentuk PGA sampai terbentuk kembali RuBP tersebut (Gambar-5).
Jenis tumbuhan yang hidup di daerah panas (misalnya jagung, tebu, rumput-rumputan), pada siang hari tidak membuka stomatanya secara penuh untuk mengurangi kehilangan air melalui evaporasi/transpirasi. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan jumlah gas CO2 yang masuk ke stomatanya tersebut. Dengan demikian, sklus Calvin tidak akan efektif untuk laju fotosintesis yang dibutuhkan tumbuhan tersebut.

Gambar 6. Skhema siklus Hatch-Slack dalam fotosintesis tumbuhan C-4.
Pada jenis tumbuhan yang siklus Calvin tidak efektif untuk laju fotosintesisnya, enzim phosphoenolphyruvate (PEP) carboxylase mengkatalisis phosphoenolphyruvate (PEP) mengikat gas CO2 dalam sel-sel daging daun atau sel-sel mesofil (mesophyl cells) sehingga terbentuk OAA. Berbeda dengan RuBP pada tumbuhan C-3, PEP pada tumbuhan C-4 sangat lemah berikatan dengan gas O2 sehingga dapat efektif mengikat gas CO2 untuk pembentukan OAA sekaligus mempersulit terjadinya fotorespirasi. Dengan demikian, OAA yang terbentuk mengalami reduksi dengan menerima H+ dari NADH dan berubah menjadi malat; kemudian malat ini ditranspor ke sel-sel seludang pembuluh (bundle sheath cells) melalui plasmodesmata. Sel-sel seludang pembuluh adalah kelompok sel yang mengelilingi jaringan pengangkut (xilem dan floem).
Di dalam sel-sel seludang pembuluh, malat terkarboksilasi menjadi piruvat dan gas CO2. Piruvat ini kembali lagi ke sel-sel mesofil; dengan piruvat ini terbentuk kembali PEP. Sedangkan gas CO2 masuk ke dalam siklus Calvin (berlangsung dalam sel-sel seludang pembuluh). Rangkaian proses/reaksi yang dimulai dari PEP mengikat CO2 membentuk OAA sampai terbentuk kembali PEP tersebut (Gambar-6) telah lazim disebut siklus Hatch-Slack.
Dewasa ini, tumbuhan kelompok sukulen (penyimpan air), misalnya kaktus dan nanas, telah diketahui tidak tergolong pada tumbuhan C-4 maupun tumbuhan C-3. Stomata kelompok tumbuhan sukulen tertutup pada siang hari sehingga mampu untuk tidak mengalami penguapan air, tapi CO2 terhambat masuk ke dalam stomata tersebut. Pada malam hari, terbuka stomata kelompok tumbuhan sukulen; dengan demikian, enzim
PEP karboksilase mengkatalisis PEP mengikat gas CO2 di dalam sitoplasma sel-sel mesofil sehingga terbentuk OAA yang kemudian berlangsung proses hingga terbentuk malat (proses yang persis pada tumbuhan C-4). Selanjutnya, malat yang terbentuk berada dalam vakuola sel mesofil hingga pagi hari. Pada siang hari, malat mengalami proses yang sama dengan proses yang terjadi pada tumbuhan C-4 sehingga malat pecah menjadi piruvat dan gas CO2; dengan piruvat ini terbentuk kembali PEP; tersedianya ATP dan NADPH (yang dihasilkan reaksi terang) maka gas CO2 tersebut masuk ke siklus Calvin di stroma kloroplas.
Metabolisme pada tumbuhan kelompok sukulen ini (Gambar-7) disebut Crassulaceae Acid Metabolism (CAM) karena perbedaan reaksi gelap pada tumbuhan kelompok sukulen dari tumbuhan C-3 dan tumbuhan C-4 tersebut pertamakali diketahui pada famili Crassulaceae.

. Gambar 7. Perbedaan rangkaian reaksi dalam fotosintesis pada antara tumbuhan C-4 dan tumbuhan CAM.
Sebagian glukosa yang dihasilkan fotosintesis dapat ditranspor melalui floem ke sel-sel yang tidak berfotosintesis, terutama ke sel-sel batang dan ke sel-sel akar; dapat mengalami reaksi-reaksi metabolisme lebih lanjut sehingga terbentuk jenis karbohidrat yang lebih kompleks ataupun zat-zat cadangan dan molekul-molekul biomolekul ataupun pembentuk biomolekul lainnya yang dibutuhkan (misalnya pembentuk lemak dan protein). Zat-zat cadangan tersebut terutama disimpan dalam akar dan batang, tetapi ada juga yang disimpan dalam daun. Julius Von Sachs dalam sekitar tahun 1860-an telah membuktikan bahwa jenis karbohidrat yang terbentuk pada fotosintesis bukan hanya glukosa, tetapi juga amilum.