BAB 2 METABOLISME SEL

BAB II

ENZIM DAN METABOLISME SE

Metabolisme Sel 

Metabolisme sel merupakan aktifitas hidup yang dijalankan oleh sebuah   sel yang merupakan unit kehidupan yang terkecil.

·              Metabolisme adalah proses-proses kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup/sel. Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim.

Berdasarkan prosesnya metabolisme dibagi menjadi 2, yaitu : 

1.    Katabolisme
Katabolisme adalah reaksi penguraian senyawa yang kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan enzim dan menghasilkan energi (reaksi eksergonik).. Penguraian suatu senyawa dapat menghasilkan energi. Energi itu berasal dari terlepasnya ikatan-ikatan kimia yang menyusun suatu persenyawaan. Semakin kompleks persenyawan kimia itu, semakin banyak ikatan kimia yang menyusunnya, dan akan semakin besar energi yang dilepaskannya.

 Akan tetapi, energi itu tidak dapat digunakan secara langsung oleh sel. Energi itu diubah terlebih dahulu menjadi persenyawaan adenosin trifosfat (ATP) yang dapat digunakan oleh sel sebagai sumber energi terpakai.

ATP merupakan gugusan adenin yang berikatan dengan tiga gugus fosfat. Terlepasnya ikatan fosfat dalam gugusan adenin menghasilkan energi yang langsung dapat digunakan oleh sel. Energi itu digunakan untuk melangsungkan reaksi-reaksi kimia, pertumbuhan, transfortasi, reproduksi, dan merespon rangsangan. Contoh katabolisme adalah pernapasan sel atau respirasi, yaitu proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energi. Respirasi dilakukan oleh semua sel penyusun tubuh, baik sel-sel tumbuhan maupun sel hewan dan manusia. Ditinjau dari kebutuhannya akan oksigen, respirasi dibedakan menjadi dua macam

a.      Respirasi aerobik, yaitu respirasi yang menggunakan oksigen bebas untuk mendapatkan energi.

Reaksi kimianya:  C₆H₁₂O₆ + 6O₂ è 6H₂O + 6CO₂ + Energi (ATP dan panas)

 Reaksi respirasi sebenarnya terdiri atas 50 rangkaian reaksi yangdapat dikelompookan menjadi 3 tahap sebagai berikut:

1). Glikolisis

          Adalah reaksi pemecahan 1 molekul glukosa (6 atom C) menjadi 2 molekul asam piruvat ( 3 atom C) yang berlangsung di sitosol. Dalam tahap glikolisis, akan dihasilkan 2 molekul asam piruvat, 2 NADH dan 2 ATP (selama proses dihasilkan 4 molekul ATP dan digunakan 2 molekul ATP). Asam piruvat akan masuk ke siklus krebs, sedangkan NADH akan masuk ke system traspor electron untuk membentuk ATP.

2). Dekarboksilasi oksidatif

     Dekarboksilasi oksidatif merupakan reaksi antara yang berlangsung sebelum memasuki siklus krebs. Pada reaksi ini, terjadi pelepasan gugus karboksil dari asam piruvat dan penambahan koenzim A (ko-A) membentuk asetil koenzim A. dekarboksilasi oksidatif berlangsung di membrane luar mitokondria serta menghasilkan 2 asetil ko-A, 2 NADH, dan 2 CO₂.

3). Siklus krebs

     Siklus krebs ( siklus asam sitrat) diawali oleh reaksi antara asetil ko-A dengan asam oksaloasetat membentuk asam sitrat. Pada akhir tahap reaksi akan dibentuk kembali asam sitrat sehinga membentuk daur atau siklus. Siklus krebs berlangsung di matriks mitokondria dan menghasilkan 6 NADH, 2 FADH₂, 2 ATP dan 4 CO₂.

4). Sistem Transfor Elektron (STE)

     System transport electron adalah pengangkutan electron melalui rangkaian molekul penangkap electron (sitokrom) yang menghasilkan ATP sampai akhirnya electron terakhir ditangkap oleh O₂.  System traspor electron berlangsung di membrane dalam mitokondria.

     Electron yang ditraspor berasal dari reaksi berikut:

     NADH ---------- NAD⁺ + H⁺ + 2 e^-

     FADH₂---------- FADH⁺ + H⁺ + 2 e^-

     Pada akhir system traspor electron, terjadi penangkapan electron oleh oksigen yang membentuk air (H₂O). reaksi sebagai berikut:

     O₂ + 4H⁺ +4 e^- ----------- 2H₂O

     Setiap NADH pada system traspor electron akan menghasilkan 3 ATP sedangkan FADH₂ menghasilkan 2 ATP. NADH yang masuk ke system tranpor electron sebanyak 10 molekul ( 2 dari glikolisis, 2 dari dekarboksilasi oksidatif, dan 6 dari siklus krebs). Sedangkan FADH₂ sebanyak 2 molekul sehingga seharusnya dihasilkan 34 ATP. Namun, pada kenyataannya NADH yang berasal dari glikolisis hanya dapat menghasilkan 2 ATP karena berada di sitosol sehingga total ATP yang dihasilkan pada system transport electron hanya 32 ATP.

     Hasil ATP bersih pada proses respirasi aerob: jika 1  molekul glukosa yang memasuki siklus krebs adalah 36 ATP ( 2 dari glikolisis, 2 dari siklus krebs, dan 32 dari transport electron),

Diantara glikolisis dan siklus krebs, terdapat reaksi antara yang disebut dekarboksilasi oksidatif.

Reaksi umum pada respirasi aerob :

C₆H₁₂O₆ + 60₂ ------------------- 6CO₂ + 6H₂O + Energi (ATP)

Jumlah ATP yang dihasilkan : 38 ATP

Secara tidak langsung (melalui rantai transpor elektron)

Glikolisis = 2 NADH = 2 × 3 = 6 ATP

Dekarboksilasi oksidatif =                     2 NADH = 2 × 3 = 6 ATP

Siklus krebs = 6 NADH = 6 × 3 = 18 ATP 2 FADH2 = 2 × 2 = 4 ATP

Jumlah = 34 ATP

Secara langsung

Glikolisis = 2 ATP

Dekarboksilasi oksidatif =  -

Siklus krebs =          2 ATP

Jumah = 4 ATP

Keterangan:

1 NADH = 3 ATP dan 1 FADH₂ = 2 ATP

Perbedaan antara ke-4 tahapan tersebut dapat dilihat tabel berikut:

Tahap	Bahan	Tempat reaksi	Hasil
			Senyawa carbon	Jumlah akseptor	Jumlah ATP
Glikolisis	Glukosa	Sitosol	2 asam piruvat	2NADH	4
Pembentukan asetil Co-A	Asam piruvat	Matriks mitokondria	2 asetil Co-A, 2CO2	2NADH	-
Daur krebs	Asetil Co-A	Matriks mitokondria	4CO2	6NADH2, 2FADH2	2
Transport elektron	NADH,FADH2	Krista mitokondria	-	-	32

b.      Respirasi anaerobik, yaitu reaksi pemecahan karbohidrat untuk mendapatkan energy tanpa oksigen. Ketiadaan oksigen yang berfungsi sebagai penangkap electron terakhir mengakibatkan reaksi repirasi tidak dapat berlangsung secara sempurna ( hanya sampai tahap glikolisis) . Dengan demikian, 1 molekul glukosa hanya akan mengahsilkan 2 ATP dan asam piruvat yang kemudian diubah menjadi alcohol atau asam laktat. Asam laktat bersifat racun bagi organisme aerob.

Bahan baku respirasi adalah karbohidrat, asal lemak, atau protein (asam amino). Hasil respirasi berupa karbon dioksida, air dan energi dalam bentuk ATP.

2.    Anabolisme
Anabolisme adalah proses biosintesis molekul substansi kompleks dari komponen yang sederhana. Adalah reaksi penyusunan senyawa-senyawa sederhana menjadi senyawa yang lebih kompleks dan memerlukan energi (reaksi endergonik). Respirasi anaerob adalah proses pembebasan energi yang tersimpan dalam bahan bakar organik melalui serangkaian reaksi tanpa menggunakan oksigen.

Anabolisme berasal dari bahasa yunani yaitu kata Ana yang berarti ke atas dan kata ballein yang berrati melempar. Proses anabolisme memerlukan energy.

Jenis: fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat

Fermentasi alcohol :terjadi pada  sel jamur untuk pembuatan tape dan minuman anggur, dengan akseptor electron berupa asetaldehid hasil akhitrnya etanol.

Fermentasi asam laktat: terjadi pada sel otot hewan dan manusia, eritrosit, bakteri atau jamur dalam pembuatan kegu dan yogurt. Akseptor electron berupa asam piruvat dan hasil akhirnya asam piruvat.

Pada anabolisme terjadi suatu proses oksidasi dan reduksi. Oksidasi adalah hilangnya electron pada suatu senyawa atau unsure. Reduksi adalah penambahan electron dari sebuah unsure atau senyawa.

Reaksi anabolisme merupakan reaksi sintesis atau asimilasi. Hal yang penting dalam reaksi anabolisme adalah adanya transformasi energy yang disimpan dalam bentuk ikatan kimia.

Anabolisme memerlukan energi, misalnya : energi cahaya untuk fotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis.

a.      Fotosintesis

Fotosintesis berasal dari kata foton = cahaya dan sintesis = penyusunan. Fotosintesis adalah peristiwa penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbondioksida) dengan pertolongan energi cahaya. Oleh karena bahan baku yang digunakan adalah zat karbon (karbon dioksida), maka fotosintesis dapat juga disebut asimilasi karbon.

Secara umum reaksi fotosintesis adalah:

6CO₂ + 6H₂O ------------------------ C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂

Fotosintesis berlangsung di kloroplas dan terbagi 2 tahap yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.

Reaksi terang (terjadi di dalam membran tilakoid/grana) adalah reaksi pengangkapan energy cahaya oleh ATP dan NADPH₂ yang selanjutnya digunakan untuk menyintesis glukosa pada reaksi gelap. Reaksi terang menghasilkan O₂. Ada 2 fotosisten yaitu fotosistem I (P700) yang bersifat siklik. dan Fotosistem II (P680) yang bersifat nonsiklik.

Reaksi gelap (siklus Calvin), terjadi di stroma kloroplas. Merupakan serangkaian reaksi penggunaan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk sintesis glukosa. Reaksi ini tidak membutuhkan cahaya sehingga disebut reaksi gelap.

Secara ringkas,3 rangkaian siklus Calvin-Benson sebagai berikut:

Fiksasi CO₂ oleh molekul RuBP (ribulosa bifosfat) yang mempunyai 5 atom C membentuk 2 molekjul asam fosfogliserat (PGA) yang emmpunyai 3 atom C.

Reduksi PGA menjadi PGAL (fosfogliseral dehid) yang mempunyai 3 atom C dengan menggunakan energy ATP dan NADPH₂ yang bersal dari reaksi terang.

Setealah berlangsung 6 siklus pembentukan PGAL akan dihasilkan 12 PGAL. Sebanyak 2 PGAL kemudian digunakan untuk membentuk glukosa dengan 6 atom C dan 10 molekul PGAL digunakan untuk membentuk kembali molekul RuBP.

b.      Kemosintesis
Cahaya digunakan sebagai sumber energi untuk memecahkan molekul air. Hasil akhir yang terbentuk adalah gula (selanjutnya diubah menjadi amilum) yang akan digunakan sebagai cadangan makanan. Jadi energi cahaya diubah menjadi energi yang tersimpan dalam bentuk ikatan kimia.

Akan tetapi sumber energi tidak hanya cahaya. Beberapa mikroorganisme ada yang dapat memperoleh energi dengan jalan mengoksidasi senyawa kimia. Misalnya bakteri belerang, bakteri nitrit, dan bakteri besi. Bakteri belerang mengoksidasi H₂S untuk memperoleh energi, selanjutnya energi yang diperoleh digunakan untuk melakukan pembentukan senyawa karbon. Oleh karena penyusunan bahan organik itu menggunakan energi dari pemecahan senyawa kimia, maka disebut kemositosis.

Perbandingan respirasi sel secara aerob dengan anaerob

Respirasi aerob

Keadaan: Ada oksigen

Sel yang melakukan : Sebagian besar sel organisme

Jumlah energy yang menghasilkan : Tinggi, yaitu 38 molekul ATP

Produk : Karbon dioksida, air, dan ATP

Tempat reaksi : Sitoplasma, mitokondria

Tahapan reaksi: Glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus Krebs, dan rantai transpor elektron

Akseptor electron: Oksigen

Respirasi anaerob

Tidak ada oksigen

Sel bakteri, ragi, eritrosit, dan sel otot

Rendah, yaitu 2 molekul ATP

Fermentasi asam laktat: asam laktat dan ATP Fermentasi alkohol: etanol, ATP, dan CO2

Sitoplasma

Glikolisis dan transpor elektron

Fermentasi asam laktat: asam piruvat Fermentasi alkohol: asetaldehida

Faktor pembeda

Keadaan

Sel yang melakukan

Jumlah energi yang dihasilkan

Produk

Tempat reaksi

Tahapan reaksi

Akseptor elektron

ENZIM

Enzim merupakan senyawa organik yang berfungsi sebagai katalis. Artinya

Enzim dapat mempercepat berlangsungnya suatu reaksi kimia tetapi enzim itu sendiri tidak ikut berubah.

Enzim adalah senyawa protein yang diproduksi oleh sel-sel makhluk hidup dan berfungsi sebagai biokatalisator.

Zat yang dipengaruhi oleh enzim disebut substrat

Hasil reaksi enzim dengan substrat disebut produk

A. Klasifikasi Enzim

Enzim intraseluler: bekerja di dalam sel.

Contoh: enzim katalase

Enzim ekstraseluler: bekerja di luar sel.

Contoh: enzim-enzim pencernaan

B. Komponen Penyusun Enzim

Komponen enzim : Apoenzim (protein)  dan Gugus prostetik (nonprotein).

Gugus prostetik (nonprotein) terdiri dari:

-      Kofaktor (ion anorganik)

-      Koenzim (senyawa organik kompleks)

C. Sifat-sifat Enzim

-  Menggumpal jika dipanaskan. Umumnya akan rusak pada suhu di atas 50^oC

- Bekerja spesifik, hanya bekerja pada substrat tertentu

- Berfungsi sebagai katalis yang akan mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi (EA)

- Dapat digunakan berulang kali karena tidak ikut bereaksi

- Diperlukan dalam jumlah sedikit

- Umumnya bekerja bolak-balik atau dua arah

 Enzim bekerja dengan cara menurunkan energi aktivasi (EA), yaitu energi yang dibutuhkan agar reaksi kimia tertentu dapat terjadi

 D. Cara Kerja Enzim

Mekanisme Enzim

Reaksi enzimatis berlangsung apabila substrat tersedia dan bagian sisi aktif

Enzim dalam keadaan kosong. Pada kondisi yang demikian substrat akan memasuki bagian sisi aktif enzim. Bagian sisi aktif enzim akan mengalami perubahan bentuk dengan mengelilingi substrat kemudian membentuk ikatan lemah berupa kompleks enzim-substrat. Kemudian di dalam sisi aktif, substrat akan diubah menjadi suatu bentuk akhir, yang dikenal sebagai produk. Selanjutnya, produk tersebut dilepas dari ikatan enzim dan enzim itu sendiri kembali bebas untuk berikatan dengan substrat lain.

Ada 2 hipotesis yang menjelaskan tentang mekanisme kerja enzim yaitu sebagai

berikut :

a.     Hipotesis gembok dan anak kunci (lock and key) menurut sisi aktif ini, bagian sisi aktif enzim mempunyai bentuk spesifik dan tidak fleksibel.

Suatu enzim hanya dapat ditempati oleh substrat tertentu saja. Hipotesis ini ditemukan oleh Emil Fischer.

.

Teori Kerja Enzim:

Teori Gembok dengan Anak Kuncinya

Enzim memiliki bentuk sisi aktif yang sangat spesifik dan akan berikatan dengan substrat tertentu yang memiliki bentuk molekul yang sesuai.

Teori Kecocokan Induksi

Enzim memiliki bentuk sis aktif yang fleksibel dan akan termodifikasi menyesuaikan bentuk substrat.

 Hipotesis kecocokan yang terinduksi (induced fit) menurut hipotesis ini,

bagian sisi aktif enzim bersifat fleksibel terhadap substrat yang masuk.

Apabila ada substrat yang masuk ke bagian sisi aktif, maka bagian ini akan

mengalami perubahan bentuk mengikuti bentuk substratnya.

1. Struktur Enzim

Enzim secara keseluruhan disebut haloenzim. Enzim tersusun dari dua

Kelompok utama, yaitu komponen protein dan komponen non protein.

Komponen protein (apoenzim) pada enzim sangat menentukan kerja enzim. Demikian dimungkinkan karena apoenzim merupakan tempat melekat nya substrat dan sekaligus tempat mereaksikan substrat. Bagian enzim tempat melekatnya substrat disebut sisi aktif enzim. Substrat merupakan bahan atau molekul yang dikatalis oleh suatu enzim. Substrat dapat berupa karbohidrat, protein, dan lemak.

2. Sifat Enzim

Enzim mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :

a). Merupakan protein. Bahan penyusun utama enzim adalah protein

b). Mudah dipengaruhi oleh perubahan lingkungan. Faktor lingkungan antara lain suhu, pH dan inhibitor

c). Sebagai katalisator. Dalam hal ini enzim berfungsi mempercepat reaksi kimia, tetapi tidak ikut berubah setelah proses reaksi selesai.

d). Bekerja secara spesifik. Enzim hanya berperan membantu satu macam substrat dan tidak dapat bekerja untuk bermacam-macam substrat.

e). Bekerja secara bolak-balik (reversible). Artinya enzim tidak menentukan arah reaksi, tetapi hanya bekerja mempercepat laju reaksi sampai mencapai keseimbangan.

f). Dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Artinya sedikit enzim dapat mengkatalis

suatu reaksi kimia.

g). Enzim berupa koloid, artinya dalam larutan enzim membentuk suatu koloid sehingga aktivitasnya lebih besar.

h). Enzim bekerja dapat bereaksi dengan substrat asam maupun basa. Artinya sisi aktif enzim mempunyai gugus R residu asam amino spesifik.

i). Enzim bersifat termolabil, artinya aktivitas enzim dipengaruhi oleh suhu. Jika suhu rendah, kerja enzim akan lambat, semakin tinggi suhu, reaksi kimia yang dipengaruhi enzim semakin cepat. Namun jika suhu semakin tinggi, enzim akan mengalami denaturisasi.

4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi AktivitasEnzim

Beberapa  faktor yang dapat mempengaruhi kecepatan reaksi enzim adalah sebagai

berikut :

a) . Suhu

Peningkatan suhu menyebabkan molekul bergerak cepat. Pada kondisi yang

demikian suatu reaksi dapat berlangsung cepat atau tidak berjalan sama sekali (berhenti). Hal demikian dimungkinkan karena setiap enzim mempunyai suhu optimal tertentu sehingga dapat melangsungkan reaksi secara maksimal. Suhu yang terlalu tinggi atau melampaui batas optimum akan menyebabkan enzim mengalami denaturasi. Denaturasi adalah perubahan struktur kimiawi enzim yang mengakibatkan enzim tersebut rusak dan tidak dapat melakukan

fungsinya.

b). pH (Derajat Keasaman)

Pada umumnya, pH optimum enzim berkisar antara 6-8. Namun, beberapa pengecualian dapat terjadi. Contohnya pada lambung manusia, pepsin akan

bekerja optimal pada pH 2. Perubahan pH yang cukup tajam juga dapat menyebabkan enzim mengalami denaturasi.

c)      Inhibitor

Inhibitor merupakan senyawa kimia yang bersifat menghambat kerja enzim.

Ada 2 jenis inhibitor, yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor non kompetitif.

Inhibitor kompetitif merupakan senyawa kimia yang menyerupai substrat dan dapat bereaksi dengan sisi aktif enzim. Inhibitor non kompetitif merupakan senyawa kimia yang menghambat kerja enzim dengan cara melekat padabagian selain sisi aktif, yang disebut sisi alosterik.

Penghambat Kerja Enzim (Inhibitor)

Inhibitor irreversible: berikatan dengan sisi aktif enzim secara kuat sehingga enzim menjadi tidak aktif dan tidak dapat kembali seperti semula.

Inhibitor reversible: berikatan dengan sisi aktif enzim secara lemah sehingga enzim dapat kembali seperti semula.

Inhibitor reversible dibagi menjadi dua jenis:

Inhibitor reversible kompetitif
Inhibitor reversible nonkompetitif

d)     Konsentrasi Substrat

Jumlah substrat yang berlebihan dapat menyebabkan penurunan kerja enzim.

Untuk mengatasi hal demikian biasanya  menambah jumlah enzim dengan cara menyintesis enzim.

7.      Pengelompokan Enzim

Berdasarkan tempat kerjanya, enzim dapat dibedakan menjadi dua, yaitu endoenzim (enzim yang bekerja didalam sel/ enzim intraselular) dan eksoenzim (enzim yang bekerja diluar sel/ enzim ekstraselular). Berdasarkan dari cara kerjanya, enzim dikelompokan menjadi enam, yaitu sebagai berikut :

a. Oksidoreduktase, berfungsi untuk mengakatalisasi reaksi oksidasi atau reduksi dari satu unsur.

b. Transferase, berfungsi untuk membantu memindahkan suatu unsure ke unsure lain.

c. Hydrolase, berfungsi untuk membantu pembentukan produk dengan bantuan air (hidrolisis).

d. Liase, berfungsi memindahkan atau menambahkan ikatan C-C, C-N, C-O, atau C-S dari substrat tanpa melalui peristiwa hidrolisis.

e. Isomerase, berfungsi untuk membantu menyusun kembali suatu molekul

karena adanya isomerase dalam molekul.

f.  Ligase, berfungsi membantu menggabungkan dua molekul melalui penyusunan. Ikatan C-O, C-S, C-N, atau C-C baru denganp emecahan ATP.

8.      Nomenklatur dan Klasifikasi Enzim

Enzim diberi nama dengan menambah akhiran –ase, pada nama substrat yang diubah oleh enzim tersebut. Ada pula enzim yang tidak berakhiran –ase, misalnya: peptin, tripsin, ptyalin, dan erepsin. Berdasaran peristiwa yang terjadi didalam suatu reaksi, maka  enzim dapat digolongkan menjadi 2 golongan .

a). Golongan Hidrolase, yaitu enzim yang dengan adanya air dapat mengubah

suatu substrat menjadi hasil akhir, misalnya karboksilase, protease, dan lipase.

b). Golongan Desmolase, yaitu enzim yang dapat mencegah ikatan C-C atau C-N. contohnya enzim-enzim peroksidase, dehidrogenae, katalase, karboksilase,

dan transaminase. Dengan berkembangnya ilmu genetika dan dilakukannya berbagai percobaan di bidang ini, dapat dibuktikan bahwa pembentukan enzim atau kelompok gen dalam kromosom.