Metabolisme - Anabolisme Karbohidrat

Anabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya adalah molekul kecil, dan produk akhirnya adalah molekul besar. Dengan kata lain anabolisme adalah rangkaian reaksi yang bertujuan untuk penyusunan atau sintesis suatu molekul. Contoh anabolisme karbohidrat adalah fotosintesis atau sintesis karbohidrat dengan bantuan energi cahaya matahari.

FOTOSINTESIS

Fotosintesis merupakan sintesis yang memerlukan cahaya (fotos = cahaya; sintesis = membuat bahan kimia, memasak). Fotosintesis adalah peristiwa penggunaan energi cahaya untuk membentuk senyawa dasar karbohidrat dari karbon dioksida dan air.

Tempat Terjadinya Fotosintesis

Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas. Kloroplas merupakan organel plastida yang mengandung pigmen hijau daun (klorofil). Sel yang mengandung kloroplas terdapat pada mesofil daun tanaman, yaitu sel-sel jaringan tiang (palisade) dan sel-sel jaringan bunga karang (spons). Di dalam kloroplas terdapat klorofil pada protein integral membran tilakoid.

Kloroplas tersusun dari bagian-bagian sebagai berikut

Struktur anatomi daun dengan bagian kloroplastnya

Stroma

Stroma merupakan struktur kosong di dalam kloroplas. Stroma juga merupakan tempat glukosa terbentuk dari karbon dioksida dan air.

Tilakoid

Tilakoid merupakan struktur cakram yang terbentuk dari pelipatan membran dalam kloroplas. Membran tilakoid menangkap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia.

Grana

Grana merupakan satu tumpuk tilakoid.

Klorofil merupakan pigmen utama yang terdapat pada tumbuhan. Klorofil dapat dibedakan menjadi klorofil a dan klorofil b. Klorofil a merupakan pigmen hijau rumput (grass- green pigment) yang mampu menyerap cahaya merah dan biru-keunguan. Klorofil a ini sangat berperan dalam reaksi gelap fotosintesis yang akan dijelaskan kemudian. Klorofil b merupakan pigmen hijau kebiruan yang mampu menyerap cahaya biru dan merah kejinggaan. Klorofil b banyak terdapat pada tumbuhan, ganggang hijau, dan beberapa bakteri fotoautotrof.

Selain klorofil, di dalam kloroplas juga terdapat pigmen karotenoid, antosianin, dan fikobilin. Karotenoid mampu menyerap cahaya biru kehijauan dan biru keunguan. Karotenoid memantulkan cahaya merah, jingga, dan kuning. Karotenoid ini banyak ditemukan pada bunga, buah, dan sayuran. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen merah dan biru. Antosianin banyak ditemukan pada bunga. Fikobilin banyak ditemukan pada kelompok ganggang merah dan Cyanobacteria.

Jadi, hanya tumbuhan saja yang dapat melakukan fotosintesis karena mengandung kloroplas pada daunnya. Oleh karena itu, tumbuhan berperan sebagai organisme produsen makanan (karena dapat menghasilkan makanan dengan bantuan cahaya). Tumbuhan disebut juga organisme autotrof (auto = sendiri, trophic = makanan), yaitu organisme yang dapat membuat makanan sendiri. Reaksi fotosintesis dapat disingkat sebagai berikut. 

                                        energi cahaya

12H₂O   +        6CO₂                ---->---->       C₆H₁₂O₆       +             6O₂         +             6H₂O

Air          Karbondioksida    klorofil             Glukosa                    Oksigen                     Air

Jalannya Reaksi Fotosintesis

Jalannya reaksi-reaksi fotosintesis terdiri dari reaksi terang dan reaksi gelap.

Reaksi terang (reaksi yang bergantung cahaya)

Tahap awal fotosintesis adalah reaksi terang atau reaksi yang bergantung pada cahaya. Dalam reaksi terang terjadi tiga proses yang berlangsung di dalam kloroplas, khususnya di membran tilakoid.

1. Pigmen fotosintesis menyerap energi cahaya dan melepaskan elektron yang akan masuk ke sistem transpor elektron.
2. Molekul air pecah, ATP dan NADPH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide phospate H) terbentuk, dan oksigen dilepaskan.
3. Pigmen fotosintesis yang melepaskan elektron menerima kembali elektron sebagai gantinya.\

Reaksi terang yang terjadi di membran tilakoid

• Penyerarapan Energi Cahaya

Beratus-ratus molekul pigmen fotosintesis terkumpul dalam suatu fotosintesis yang melekat pada membran tilakoid. Sebagian besar pigmen tersebut memperoleh energi dari energi cahaya (foton) yang diserap, Energi cahaya yang diserap ini akan mendorong elektron dari pigmen fotosintesis sambil melepaskan energi eksitasi. Energi eksitasi akan dibawa oleh pigmen penerima energi cahay ke molekul-molekul pigmen yang lain secara acak sampai ke klorofil a. Klorofil a hanya dapat menangkap panjang gelombang cahaya tertentu. Klorofil a merupakan pusat reaksi bagi fotosistem. Pusat reaksi menerima energi eksitasi, tetapi tidak membawanya ke pigmen lain. Pusat reaksi yang telah teraktivasi ini memberikan elektron ke molekul penerima elektron dalam sistem transpor elektron.

Pusat reaksi fotosintesis pada fotosistem

Sistem transpor elektron tersusun dari enzim, koenzim, dan protein yang terikat pada membran sel. Elektron dipindahkan tahap demi tahap melalui sistem transpor elektron, dan energi dilepaskan pada setiap tahap. Energi tersebut sebagian besar digunakan untuk pembentukan ATP dan NADPH. 

• Aliran elektron siklik dan non siklik

Ada dua jalur aliran elektron dalam sistem transpor elektron, yaitu siklik dan non siklik. Baik jalur siklik maupun non siklik akan melewati suatu fotosistem. Ada dua tipe fotosistem, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Fotosistem I memiliki pusat reaksi yang ditandai dengan P700. Sedangkan fotosistem II memiliki pusat reaksi yang ditandai dengan P680

Aliran elektron non siklik dan siklik pada reaksi terang fotosintesis

Pada jalur siklik memerlukan fotosistem I. Energi cahaya digunakan untuk membawa elektron dari fotosistem I, menuju sistem transpor, kemudian kembali ke fotosistem I. Jalur siklik terjadi pada beberapa bakteri, dan juga terjadi pada semua organisme fotoautotrof.

Pada jalur non-siklik terjadi aliran elektron dari air ke fotosistem II melalui sistem transpor, menuju ke fotosistem I.

Kemudian, melalui suatu sistem transpor, elektron akan diberikan ke NADP+. Proses ini terjadi ketika fotosistem II yang ditandai dengan P680 sebagai pusat reaksi menyerap cukup energi foton untuk melepaskan elektron. Pada saat masuknya energi ke dalam fotosistem II memacu terjadinya fotolisis.

Fotolisis adalah reaksi pecahnya molekul air menjadi oksigen, ion-ion hidrogen (H+), dan elektron-elektron.

Elektron yang dilepaskan oleh P680 digantikan oleh elektron yang dilepaskan oleh air. Jadi, dalam sistem transpor yang kedua, NADP+ akan menerima 2 elektron dan 1 ion hidrogen membentuk NADPH.

Bergeraknya ion hidrogen berperan dalam pembentukan ATP. Pembentukan ATP terjadi pada protein yang disebut ATP sintase. Sedangkan oksigen dilepaskan ke atmosfer. Oksigen ini akan berperan dalam respirasi aerob.

Reaksi gelap (reaksi yang tidak bergantung cahaya)

Reaksi gelap disebut juga siklus Calvin-Benson. Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung secara langsung dengan cahaya. Reaksi gelap berlangsung dalam gelap dan hanya dapat berlangsung jika ada ATP dan NADPH. ATP dan NADPH dihasilkan dari reaksi terang.

Reaksi gelap memerlukan ATP, hidrogen, dan elektron dari NADPH, karbon dan oksigen dari karbon dioksida, enzim yang mengakatalisis setiap reaksi, dan RuBP (ribulosa bifosfat). RuBP merupakan suatu senyawa yang memiliki 5 atom karbon.

Bagaimana terjadinya reaksi gelap? Reaksi gelap terjadi melalui tahapan berikut ini. 

Reaksi gelap fotosintesis

• Karbon dioksida diikat oleh RuBP (Ribulosa bifosfat yang terdiri dari 5 atom karbon) menjadi senyawa 6 karbon yang labil. Senyawa 6 karbon kemudian memecah menjadi 2 fosfogliserat (PGA).
• Masing-masing PGA menerima gugus fosfat dari ATP dan menerima hidrogen serta elektron dari NADPH. Reaksi ini menghasilkan PGAL (fosfogliseraldehida).
• Untuk tiap 6 molekul karbon dioksida yang diikat akan dihasilkan 12 PGAL.
• Dari 12 PGAL, 10 molekul kembali ke tahap awal menjadi RuBP, dan seterusnya RuBP akan mengikat C02 yang baru.
• Dua PGAL lainnya akan berkondensasi menjadi glukosa 6 fosfat. Molekul ini merupakan prekursor (bahan baku) untuk produk akhir menjadi molekul berikut.

1. Sukrosa merupakan karbohidrat untuk pengangkutan menuju ke tempat penimbunan.
2. Tepung pati merupakan karbohidrat yang tersimpan sebagai cadangan makanan pada tempat penimbunan.

Reaksi terang dan reaksi gelap pada fotosintesis 

Sel-sel fotosintesis mengubah glukosa tertosforilasi menjadi sukrosa atau pati pada siang hari (ada cahaya). Dari semua karbohidrat pada tumbuhan, sukrosa paling mudah ditransportasikan, sedangkan pati adalah sebagai cadangan atau penimbunan makanan. Pada saat malam hari atau tidak ada cahaya, sel-sel fotosintesis mengubah pati menjadi sukrosa untuk diangkut ke sel-sel tumbuhan di daun, batang, dan akar.