Perkembangan biokimia - Aktifitas | Student Blog · Web viewberpasangan dengan timin dan urasil, timin hanya berpasangan dengan adenin; sitosin dan guanin hanya dapat berpasangan

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Kehidupan adalah ciri yang membedakan objek yang memiliki isyarat dan

proses penopang diri (organisme hidup) dengan objek yang tidak

memilikinya, baik karena fungsi-fungsi tersebut telah mati atau karena

mereka tidak memiliki fungsi tersebut dan diklasifikasikan sebagai benda

mati. Ilmu yang berkaitan dengan studi tentang kehidupan adalah biologi.

Organisme hidup mengalami metabolisme, mempertahankan homeostasis,

memiliki kapasitas untuk tumbuh, menanggapi rangsangan, bereproduksi,

dan melalui seleksi alam beradaptasi dengan lingkungan mereka dalam

generasi berturut-turut. Organisme hidup yang lebih kompleks dapat

berkomunikasi melalui berbagai cara. Sebuah susunan beragam dari

organisme hidup (bentuk kehidupan) dapat ditemukan di biosfer di bumi,

dan sifat-sifat umum dari organisme ini tumbuhan, hewan, fungi, protista,

archaea, dan bakteri adalah bentuk sel berbasis karbon dan air, dengan

organisasi kompleks dan informasi genetik yang bisa diwariskan.

Dalam filsafat dan agama, konsepsi kehidupan dan sifatnya bervariasi.

Keduanya menawarkan interpretasi mengenai bagaimana kehidupan

berkaitan dengan keberadaan dan kesadaran, dan keduanya menyentuh isu-

isu terkait, termasuk sikap hidup, tujuan, konsep tuhan atau dewa, jiwa atau

kehidupan setelah kematian.

1

B. Tujuan

Mengetahui hubungan kimia dengan kehidupan khususnya pada tumbuhan.

2

BAB II

PEMBAHASAN

Biokimia adalah kimia makhluk hidup. Biokimiawan mempelajari molekul dan

reaksi kimia terkatalisis oleh enzim yang berlangsung dalam semua organisme.

Biokimia merupakan ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi komponen selular,

seperti protein, karbohidrat, lipid, asam nukleat, dan biomolekul lainnya. Saat ini

biokimia lebih terfokus secara khusus pada kimia reaksi termediasi enzim dan

sifat-sifat protein.

Saat ini, biokimia metabolisme sel telah banyak dipelajari. Bidang lain dalam

biokimia di antaranya sandi genetik (DNA, RNA), sintesis protein, angkutan

membran sel, dan transduksi sinyal.

Perkembangan biokimia

Kebangkitan biokimia diawali dengan penemuan pertama molekul enzim, diastase,

pada tahun 1833 oleh Anselme Payen. Tahun 1828, Friedrich Wöhler menerbitkan

sebuah buku tentang sintesis urea, yang membuktikan bahwa senyawa organik

dapat dibuat secara mandiri. Penemuan ini bertolak belakang dengan pemahaman

umum pada waktu itu yang meyakini bahwa senyawa organik hanya bisa dibuat

oleh organisme. Istilah biokimia pertama kali dikemukakan pada tahun 1903 oleh

Karl Neuber, seorang kimiawan Jerman. Sejak saat itu, biokimia semakin

berkembang, terutama sejak pertengahan abad ke-20, dengan ditemukannya

teknik-teknik baru seperti kromatografi, difraksi sinar X, elektroforesis, RMI

(nuclear magnetic resonance, NMR), pelabelan radioisotop, mikroskop elektron,

dan simulasi dinamika molekular. Teknik-teknik ini memungkinkan penemuan dan

analisis yang lebih mendalam berbagai molekul dan jalur metabolik sel, seperti

3

glikolisis dan siklus Krebs. Perkembangan ilmu baru seperti bioinformatika juga

banyak membantu dalam peramalan dan pemodelan struktur molekul raksasa.

Saat ini, penemuan-penemuan biokimia digunakan di berbagai bidang, mulai dari

genetika hingga biologi molekular dan dari pertanian hingga kedokteran.

Penerapan biokimia yang pertama kali barangkali adalah dalam pembuatan roti

menggunakan khamir, sekitar 5000 tahun yang lalu.

Biomolekul

Ada 4 kelas molekul utama dalam biokimia yaitu: karbohidrat, lipid, protein, dan

asam nukleat. Banyak molekul biologi merupakan "polimer": dalam kasus ini,

monomer adalah mikromolekul yang relatif kecil yang bergabung menjadi satu

untuk membentuk makromolekul-makromolekul, yang kemudian disebut sebagai

"polimer". Ketika banyak monomer bergabung untuk mensintesis sebuah polimer

biologis, mereka melalui proses/tahap yang disebut dengan sintesis dehidrasi.

Karbohidrat tersusun dari monomer yang disebut sebagai monosakarida. Contoh

dari monosakarida adalah glukosa (C6H12O6), fruktosa (C6H12O6), dan deoksiribosa

(C5H10O4). Ketika 2 monosakarida melalui proses sintesis dehidrasi, maka air akan

terbentuk, karena 2 atom hidrogen dan satu atom oksigen telepas dari 2 gugus

hidroksil monosakarida.

Lipid biasanya terbentuk dari satu molekul gliserol yang bergabung dengan

molekul lain. Di trigliserida, ada satu mol gliserol dan tiga molekul asam lemak.

Asam lemak merupakan monomer disini.

Lipid, terutama fosfolipid, juga digunakan di beberapa produk obat-obatan,

misalnya sebagai bahan pelarut (contohnya di infus parenteral) atau sebagai

komponen pembawa obat (contohnya di liposom atau transfersom).

4

Protein merupakan molekul yang sangat besar atau makrobiopolimer yang

tersusun dari monomer yang disebut asam amino. Ada 20 asam amino standar,

yang masing-masing terdiri dari sebuah gugus karboksil, sebuah gugus amino, dan

rantai samping (disebut sebagai grup "R"). Grup "R" ini yang menjadikan setiap

asam amino berbeda, dan ciri-ciri dari rantai samping ini akan berpengaruh

keseluruhan terhadap suatu protein. Ketika asam amino bergabung, mereka

membentuk ikatan khusus yang disebut ikatan peptida melalui sintesis dehidrasi,

dan menjadi Polipeptida, atau protein.

Asam nukleat

Struktur dari asam deoksiribosa nukleat (DNA), gambar ini menunjukkan

monomernya diletakkan bersamaan.

Asam nukleat adalah molekul yang membentuk DNA, substansi yang sangat

penting yang digunakan oleh semua organisme seluler untuk menyimpan informasi

genetik. Jenis asam nukleat yang paling umum adalah asam deoksiribosa nukleat

dan asam ribonukleat. Monomernya disebut nukleotida. Nukleotida yang paling

umum diantaranya Adenin, Sitosin, Guanin, Timin, dan Urasil. Adenin 5

berpasangan dengan timin dan urasil, timin hanya berpasangan dengan adenin;

sitosin dan guanin hanya dapat berpasangan satu sama lain.

Karbohidrat

Fungsi dari karbohidrat adalah sebagai pembangun dan sumber energi. Gula

merupakan karbohidrat, tapi tidak semua karbohidrat adalah gula. Jumlah

karbohidrat di bumi lebih banyak daripada jumlah biomolekul manapun.

Monosakarida

Tipe karbohidrat yang paling sederhana adalah monosakarida, yang biasanya

terdiri dari atom karbon, hidrogen, dan oksigen, kebanyakan dengan perbandingan

1:2:1 (formula umumnya CnH2nOn, dimana n paling kecil adalah 3). Glukosa, salah

satu karbohidrat yang paling penting, merupakan contoh dari monosakarida. Juga

termasuk dengan fruktosa, gula yang biasanya ditemukan dalam manisnya buah-

buahan.[1][a] Beberapa karbohidrat (terutama setelah kondensasi menjadi oligo- dan

polisakarida) memiliki jumlah karbon yang relatif lebih rendah daripada H dan O.

Monosakarida dapat dikelompokkan ke aldosa (mempunyai grup aldehida di akhir

rantainya, contohnya glukosa) dan ketosa (mempunyai grup keton di rantainya,

contohnya fruktosa).

Dua monosakarida dapat bergabung menjadi satu melalui sintesis dehidrasi. Maka,

akan dilepaskan satu atom hidrogen dan satu grup hidroksil (OH-). Atom hidrogen

dan hidroksil akan bergabung dan membentuk molekul air (H-OH atau H2O), maka

dari itu disebut "dehidrasi". Molekul baru ini disebut "disakarida". Reaksinya pun

bisa berbalik arah (reaksi pemecahan), dengan menggunakan satu molekul air

untuk memecah satu molekul disakarida, maka akan memecah ikatan glikosidik

pada disakarida. Reaksi inilah yang disebut dengan hidrolisis. Jenis disakarida

yang paling dikenal adalah sukrosa atau yang biasanya kita kenal dengan gula tebu. 6

Satu molekul sukrosa terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa.

Disakarida yang lain contohnya laktosa, terdiri dari satu molekul glukosa dan satu

molekul galaktosa. Di dalam tubuh, dikenal adanya enzim laktase yang memecah

laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Biasanya, pada orang berusia lanjut,

produksi laktase semakin sedikit dan akibatnya adalah penyakit intoleransi laktosa.

Oligosakarida dan polisakarida

Ketika beberapa (sekitar 3-6) monosakarida bergabung menjadi satu, maka akan

disebut sebagai oligosakarida (oligo- artinya "sedikit"). Jika banyak monosakarida

bergabung menjadi satu, maka akan disebut sebagai polisakarida. Monosakarida

dapat bergabunf membentuk satu rantai panjang, atau mungkin bercabang-cabang.

2 jenis polisakarida yang paling dikenal adalah selulosa dan glikogen, dua-duanya

terdiri dari monomer glukosa.

Selulosa dibuat oleh tumbuhan dan merupakan komponen penting yang

membentuk dinding sel. Manusia tidak bisa membuat ataupun mencerna

selulosa.

Glikogen, atau nama lainnya adalah gula otot, digunakan oleh manusia dan

hewan sebagai sumber energi.

7

Penggunaan karbohidat sebagai sumber energi

Glukosa merupakan sumber energi utama bagi makhluk hidup. Contohnya,

polisakarida akan dipecah menjadi monomer-monomernya (fosforilase glikogen

akan membuang residu glukosa dari glikogen). Disakarida seperti laktosa atau

sukrosa akan dipecah menjadi 2 komponen monosakaridanya.

Glikolisis (anaerob)

Glukosa akan dicerna dalam tubuh dalam reaksi respirasi. Tahapan pertama dalam

reaksi respirasi adalah glikolisis. Tahapan glikolisis dimulai dari satu molekul

glukosa sampai tahap akhirnya akan dihasilkan 2 molekul piruvat. Tahap ini juga

akan menghasilkan 2 ATP dan memberikan dua elektron dan satu hidrogen pada

NAD+ sehingga menjadi NADH. Tahap ini tidak membutuhkan oksigen. Jika

persediaan oksigen dalam tubuh tidak cukup, maka NADH akan digunakan untuk

mengubah piruvat menjadi asam laktat (dalam tubuh manusia]] atau menjadi etanol

dan karbon dioksida.

Aerob

Dalam respirasi aerob, sel yang mendapat cukup oksigen, piruvat yang dihasilkan

dari tahap glikolisis akan dicerna kembali dan diubah menjadi Asetil Ko-A. Piruvat

akan membuang satu atom karbonnya (menjadi karbon dioksida) dan akan

memberikan elektronnya lagi pada NAD+ sehingga menjadi NADH. 2 molekul

Asetil Ko-A akan memasuki tahap siklus Krebs, dan akan menghasilkan lagi 2

ATP, 6 molekul NADH, dan 2 ubiquinon (FADH2), serta karbon dioksida. Energi

di NADH dan FADH2 nantinya akan digunakan di transpor elektron. Energi ini

dipakai dengan cara dilepaskannya elektron dan H+ dari NADH dan FADH2 secara

bertahap di sistem transpor elektron. Sistem transpor elektron akan memompa H+

keluar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam 8

mitokondria akan menyebabkan gradien proton, sehingga H+ akan masuk kembali

ke membran dalam mitokondria melalui ATP sintase. Oksigen bertugas sebagai

penerima elektron akhir, sehingga proses pembentukan ATP terus berlanjut.

Oksigen yang bergabung dengan H+ akan membentuk air. NAD+ dan FAD akan

digunakan kembali dalam sistem respirasi, seperti yang telah dijelaskan

sebelumnya. Hal ini yang menyebabkan mengapa kita menghirup oksigen dan

melepaskan karbon dioksida. Dalam 1 molekul glukosa akan dihasilkan total 36

ATP, dan satu ATP dapat melepaskan 7,3 kilokalori.

Glukoneogenesis

Dalam tubuh vertebrata, otot lurik yang dipaksa bekerja keras (misalnya selagi

angkat beban atau lari), tidak akan mendapatkan oksigen yang cukup sehingga

akan melakukan metabolisme anaerob, maka akan mengubah glukosa menjadi

asam laktat. Organ hati akan menghasilkan kembali glukosa tersebut, melalui

proses yang dinamakan glukoneogenesis. Proses glukoneogenesis sebenarnya

membutuhkan energi 3 kali lebih banyak daripada yang dihasilkan dalam proses

glikolisis (ada 6 ATP yang dibuat, sedangkan glikolisis hanya menghasilkan 2

ATP).

Protein

Seperti karbohidrat, beberapa protein juga memiliki fungsi vital dalam tubuh.

Contohnya, pergerakan dari protein aktin dan miosin sangat berperan bagi

kontraksi otot lurik. Salah satu ciri dari kebanyakan protein adalah mereka hanya

dapat mengikat secara spesifik, hanya satu molekul tertentu atau satu grup

molekul, sehingga sangat selektif. Antibodi adalah satu contoh protein yang hanya

dapat mengikat satu tipe molekul saja. Salah satu jenis protein yang paling penting 9

adalah enzim. Molekul enzim hanya dapat mengenali satu jenis molekul reaktan

saja, reaktan ini disebut sebagai substrat. Enzim akan mengkatalis reaksi, sehingga

energi aktivasi akan menurun, dan kecepatan reaksi dapat berlangsung lebih cepat

sampai 1011 kalinya. Sebuah reaksi mungkin akan memakan waktu 3.000 tahun

untuk betul-betul selesai, tapi dengan enzim mungkin menjadi kurang dari satu

detik. Enzim sendiri tidak digunakan dalam proses reaksinya, sehingga akan

langsung mengkatalis substrat lainnya.

Pada dasarnya, protein terdiri dari rantai asam amino. Sebuah asam amino terdiri

dari satu atom karbon yang berikatan dengan 4 grup. Grup pertama dalah gugus

amino, —NH2, grup kedua adalah asam karboksilik, —COOH (meskipun eksisnya

sebagai —NH3+ dan —COO− dalam kondisi fisiologis). Grup yang ketiga adalah

atom hidrogen. Grup yang keempat biasanya disingkat sebagai "—R", dan grup

inilah yang membedakan antar asam amino. Ada 20 macam asam amino standar.

Beberapa dari mereka mempunyai fungsi sendiri-sendiri, misalnya, fungsi glutamat

adalah sebagai neurotransmiter.

Asam amino dapat bergabung melalui ikatan peptida. Dalam sintesis dehidrasi ini,

sebuah molekul air akan dilepaskan dan ikatan peptida akan menghubungkan atom

nitrogen dari asam amino yang satu dengan atom karbon dari gugus asam karboksil

lain. Maka, hasilnya adalah dipeptida. Rangkaian beberapa asam amino (biasanya

lebih kecil dari 30) disebut polipeptida. Untuk rangkaian yang lebih panjang,

biasanya disebut sebagai protein. Sebagai contoh, protein albumin pada plasma

darah terdiri dari 585 residu asam amino.

Struktur dari protein bisa dijelaskan melalui empat tingkatan. Struktur utama dari

protein terdiri dari rangkaian linear asam amino, misalnya, "alanin-glisin-triptofan-

serin-glutamat-asparagin-glisin-lisin-…". Struktur sekunder lebih kepada

morfologi lokal. Beberapa kombinasi dari asam amino akan cenderung membentuk

10

gulungan yang disebut dengan α-helix atau menjadi lembaran yang disebut dengan

β-sheet. Struktur tersier adalah bentuk 3 dimensi protein tersebut secara

keseluruha. Bentuk ini akan ditentukan oleh urutan asam amino. Jika ada satu

perubahan saja maka akan mengubah keseluruhan struktur. Rantai alfa hemoglobin

terdiri dari 146 residu asam amino, jika residu glutamat di posisi ke-6 digantikan

dengan valin, maka akan mengubah sifat hemoglobin tersebut, dan mengakibatkan

penyakit anemia sel sabit. Struktur kuartener lebih memfokuskan pada struktur dari

protein dengan beberapa subunit peptida. Contohnya, hemoglobin dengan keempat

subunitnya. Tidak semua protein memiliki lebih dari satu subunit.

Protein yang masuk ke dalam tubuh akan dipecah menjadi asam amino atau

dipeptida di dalam usus halus, baru kemudian bisa diserap oleh tubuh. Nantinya,

asam amino ini dapat bergabung kembali untuk membentuk protein yang baru.

Produk antara dari glikolisis, siklus asam sitrat, dan jalur fosfat pentosa dapat

digunakan untuk membentuk kedua puluh macam asam amino. Manusia dan

mamalia lainnya hanya dapat mensintesa separuh dari ke-20 macam amino

tersebut. Tubuh manusia tidak dapat mensintesa isoleusin, leusin, lisin, metionin,

fenilalanin, treonin, triptofan, dan valin. Asam amino ini merupakan asam amino

esensial, karena penting bagi tubuh. Mamalia dapat mensintesa asam amino non

esensial, yaitu alanin, asparagin, aspartat, sistein, glutamat, glutamin, glisin, prolin,

serin, dan tirosin. Arginin dan histidin juga dapat disintesa mamalia, tapi hanya

dapat diproduksi dalam jumlah terbatas, sehingga terkadang juga disebut sebagai

asam amino esensial.

Jika gugus amino dilepaskan dari sebuah asam amino, maka akan menyisakan

asam keto-α. Enzim transaminase akan mudah memindahkan gugus amino yang

lepas ini ke asam keto-α lainnya. Hal ini penting di dalam biosintesis dari asam

amino, seperti dalam banyak jalur, zat antara dari jalur biokimia lainnya akan

11

diubah menjadi asam keto-α, lalu sebuah gugus amino ditambahkan lewat

transaminasi. Maka, asam amino dapat digabung-gabungkan untuk membentuk

protein.

Proses yang mirip digunakan untuk memecah protein. Pertama-tama, protein akan

terhidrolisa menjadi komponen-komponennya, yaitu asam amino. Amonia bebas

(NH3), berada dalam bentuk ion amonium (NH4+) di dalam darah, akan berbahaya

bagi tubuh, maka harus dikeluarkan. Organisme uniseluler hanya tinggal

melepaskan saja amonia ini keluar tubuh. Di dalam tubuh mamalia, amonia akan

diubah menjadi urea, lewat siklus urea.

Lipid

Kata lipid merujuk kepada suatu kelompok molekul yang beragam, termasuk juga

kelompok molekul yang sulit larut dalam air (contohnya malam, asam lemak, dan

turunan asam lemak seperti fosfolipid, sfingolipid, glikolipid, dan terpenoid.

Beberapa lipid merupakan molekul alifatik linear, tapi ada juga yang mempunyai

struktur cincin. Beberapa juga molekul aromatik, dan beberapa juga lunak.

Beberapa lipid mempunyaii sifat polar meskipun kebanyakan dari mereka

merupakan nonpolar/hidrofobik ("takut air"). Tapi ada beberapa bagian dari

strukturnya bersifat hidrofilik ("suka-air"), sehingga membuat molekul ini menjadi

amfifilik (mempunyai sifat hidrofobik dan hidrofilik). Dalam kasus kolesterol,

gugus polarnya hanya -OH (hidroksil atau alkohol). Dalam kasus fosfolipid, gugus

polarnya lebih besar sehingga dianggap polar.

Lipid merupakan salah satu unsur penting dalm tubuh. Kebanyakan produk minyak

dan produk susu yang kita gunakan untuk masak dan makan seperti mentega, keju,

dan minyak samin terdiri dari lemak. Makanan yang mengandung lemak, jika

dicerna dalam tubuh maka akan dipecah menjadi asam lemak dan gliserol.12

Asam nukleat merupakan makromolekul biokimia yang kompleks, terdiri dari

rantai-rantai nukleotida yang menyimpan informasi genetik. Jenis asam nukleat

yang paling umum adalah asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat

(RNA). Asam nukleat ditemukan di segala jenis sel makhluk hidup. Disamping

sebagai penyimpan informasi genetik, asam nukleat juga berperan dalam

penyampai pesan kedua, serta pembentuk molekul dasar untuk adenosin trifosfat.

Monomer dari asam nukleat disebut nukleotida, dan tiap nukleotida terdiri dari 3

komponen: basa nitrogen (purin dan pirimidin), gula pentosa/senyawa gula karbon-

5, dan gugus fosfat. Perbedaan tipe asam nukleat dapat ditemukan di jenis gula

pada rantainya (contohnya, DNA terdiri dari 2 deoksiribosa). Juga, jenis basa

nitrogen yang mungkin ada di asam nukleat juga bisa berbeda: adenin, sitosin, dan

guanin bisa ada di RNA dan DNA, timin hanya pada DNA, dan urasil hanya pada

RNA.

Karena tidak ada definisi tegas dari kehidupan, pemahaman saat ini bersifat

deskriptif: kehidupan merupakan ciri organisme yang menunjukkan semua atau

sebagian besar dari fenomena berikut, yaitu:

1. Homeostasis: Pengaturan kondisi internal untuk mempertahankan keadaan

konstan, misalnya, konsentrasi elektrolit atau mengeluarkan keringat untuk

menurunkan suhu.

2. Organisasi: Secara struktural terdiri dari satu atau lebih sel, yang

merupakan satuan dasar kehidupan.

3. Metabolisme: Transformasi energi dengan mengubah bahan kimia dan

energi menjadi komponen selular (anabolisme) dan mengurai bahan organik

(katabolisme). Makhluk hidup membutuhkan energi untuk mempertahankan

organisasi internal (homeostasis) dan untuk menghasilkan fenomena lain

yang terkait dengan kehidupan.

13

4. Pertumbuhan: Pemeliharaan tingkat yang lebih tinggi dari katabolisme dan

anabolisme. Organisme yang tumbuh bertambah dalam ukuran di semua

bagian-bagiannya, bukan hanya sekadar mengumpulkan materi.

5. Adaptasi: Kemampuan untuk berubah selama periode waktu dalam

menanggapi lingkungan. Kemampuan ini merupakan hal mendasar untuk

proses evolusi dan ditentukan oleh perwarisan watak organisme maupun

komposisi zat yang di-metabolisme, dan berbagai faktor eksternal.

6. Respon terhadap rangsangan: respon dapat dilakukan dalam berbagai

bentuk, dari kontraksi organisme uniseluler terhadap bahan kimia eksternal,

sampai dengan reaksi kompleks yang melibatkan semua indera organisme

multiseluler. Tanggapan sering dinyatakan dengan gerak, misalnya, daun

tanaman berbalik ke arah matahari (fototropisme) dan oleh kemotaksis.

7. Reproduksi: Kemampuan untuk menghasilkan organisme individu baru,

baik secara aseksual dari organisme orang tua tunggal, atau secara seksual

dari dua organisme induk.

Sebuah jaringan umpan balik negatif rendah (mekanisme regulasi) yang berada

di bawah umpan balik positif yang lebih tinggi (potensi ekspansi, reproduksi).

Definisi sistemik kehidupan adalah bahwa makhluk hidup bersifat

mengorganisir diri dan autopoiesis (memproduksi sendiri). Variasi dari definisi

ini mencakup definisi Stuart Kauffman sebagai agen otonom atau sistem multi-

agen yang mampu mereproduksi dirinya sendiri atau diri mereka sendiri, dan

menyelesaikan setidaknya satu siklus kerja termodinamika.

Hidup adalah sistem kimia mandiri yang mampu menjalani evolusi Darwin.

Hal-hal yang memiliki kemampuan untuk metabolisme dan pergerakan.

14

Hidup adalah penundaan pembauran atau penyebaran spontan energi internal

dari biomolekul menuju kondisi mikro yang lebih potensial.

Makhluk hidup adalah sistem termodinamika yang memiliki struktur molekul

yang terorganisir.

Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan

elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terdiri atas proton yang

bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali pada inti atom

Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom

terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Sekumpulan atom demikian pula

dapat berikatan satu sama lainnya, dan membentuk sebuah molekul. Atom yang

mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan

yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau

negatif dan disebut sebagai ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton

dan neutron yang terdapat pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom

menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop

unsur tersebut.

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani (ἄτομος/átomos, α-τεμνω), yang berarti

tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep

atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh

para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan

meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu

tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia.

Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan

struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa

15

'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang

digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.

Dalam pengamatan sehari-hari, secara relatif atom dianggap sebuah objek yang

sangat kecil yang memiliki massa yang secara proporsional kecil pula. Atom hanya

dapat dipantau dengan menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop gaya

atom. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom, dengan proton dan

neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu

isotop dengan inti yang tidak stabil, yang dapat mengalami peluruhan radioaktif.

Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi, yang mengubah jumlah proton dan

neutron pada inti.Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras

energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras

tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan

perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi

sebuah unsur, dan memengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.

Berbagai atom dan molekul yang digambarkan pada buku John Dalton, A New

System of Chemical Philosophy (1808).

16

Pada tahun 1803, John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan

mengapa unsur-unsur selalu bereaksi dalam perbandingan yang bulat dan tetap,

serta mengapa gas-gas tertentu lebih larut dalam air dibandingkan dengan gas-gas

lainnya. Ia mengajukan pendapat bahwa setiap unsur mengandung atom-atom

tunggal unik, dan atom-atom tersebut selanjutnya dapat bergabung untuk

membentuk senyawa-senyawa kimia.

Model atom hidrogen Bohr yang menunjukkan loncatan elektron antara orbit-orbit

tetap dan memancarkan energi foton dengan frekuensi tertentu.

Sifat-sifat

Berdasarkan definisi, dua atom dengan jumlah proton yang identik dalam intinya

termasuk ke dalam unsur kimia yang sama. Atom dengan jumlah proton sama

namun dengan jumlah neutron berbeda adalah dua isotop berbeda dari satu unsur

yang sama. Sebagai contohnya, semua hidrogen memiliki satu proton, namun

terdapat satu isotop hidrogen yang tidak memiliki neutron (hidrogen-1), satu isotop

yang memiliki satu neutron (deuterium), dua neutron (tritium), dll. Hidrogen-1

adalah bentuk isotop hidrogen yang paling umum. Kadang-kadang ia disebut

sebagai protium.Semua isotop unsur yang bernomor atom lebih besar daripada 82

bersifat radioaktif.

17

Karena mayoritas massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan

partikel ini dalam atom disebut sebagai nomor massa.

Proses-Proses Kimia Pada Tumbuhan

Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan atau energi

yaitu glukosa yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri dengan

menggunakan zat hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan energi

cahaya matahari.Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang

dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi

kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen

yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui

fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis

merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas

dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energy. Cara

lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui

kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.

Pigmen

Proses fotosintesis tidak dapat berlangsung pada setiap sel, tetapi hanya pada sel

yang mengandung pigmen fotosintetik. Sel yang tidak mempunyai pigmen

fotosintetik ini tidak mampu melakukan proses fotosintesis. Pada percobaan Jan

Ingenhousz, dapat diketahui bahwa intensitas cahaya memengaruhi laju

fotosintesis pada tumbuhan. Hal ini dapat terjadi karena perbedaan energi yang

dihasilkan oleh setiap spektrum cahaya. Di samping adanya perbedaan energi

tersebut, faktor lain yang menjadi pembeda adalah kemampuan daun dalam

menyerap berbagai spektrum cahaya yang berbeda tersebut. Perbedaan

18

kemampuan daun dalam menyerap berbagai spektrum cahaya tersebut disebabkan

adanya perbedaan jenis pigmen yang terkandung pada jaringan daun.

Di dalam daun terdapat mesofil yang terdiri atas jaringan bunga karang dan

jaringan pagar. Pada kedua jaringan ini, terdapat kloroplas yang mengandung

pigmen hijau klorofil. Pigmen ini merupakan salah satu dari pigmen fotosintesis

yang berperan penting dalam menyerap energi matahari.

Kloroplas

Kloroplas terdapat pada semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau, termasuk

batang dan buah yang belum matang. Di dalam kloroplas terdapat pigmen klorofil

yang berperan dalam proses fotosintesis. Kloroplas mempunyai bentuk seperti

cakram dengan ruang yang disebut stroma. Stroma ini dibungkus oleh dua lapisan

membran. Membran stroma ini disebut tilakoid, yang didalamnya terdapat ruang-

ruang antar membran yang disebut lokuli. Di dalam stroma juga terdapat lamela-

lamela yang bertumpuk-tumpuk membentuk grana (kumpulan granum). Granum

sendiri terdiri atas membran tilakoid yang merupakan tempat terjadinya reaksi

terang dan ruang tilakoid yang merupakan ruang di antara membran tilakoid. Bila

sebuah granum disayat maka akan dijumpai beberapa komponen seperti protein,

klorofil a, klorofil b, karetonoid, dan lipid. Secara keseluruhan, stroma berisi

protein, enzim, DNA, RNA, gula fosfat, ribosom, vitamin-vitamin, dan juga ion-

ion logam seperti mangan (Mn), besi (Fe), maupun perak (Cu). Pigmen fotosintetik

terdapat pada membran tilakoid. Sedangkan, pengubahan energi cahaya menjadi

energi kimia berlangsung dalam tilakoid dengan produk akhir berupa glukosa yang

dibentuk di dalam stroma. Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian

dari perangkat dalam fotosintesis yang dikenal sebagai fotosistem.

Fotosistem

19

Fotosistem adalah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari

yang terdiri dari klorofil a, kompleks antena, dan akseptor elektron. Di dalam

kloroplas terdapat beberapa macam klorofil dan pigmen lain, seperti klorofil a

yang berwarna hijau muda, klorofil b berwarna hijau tua, dan karoten yang

berwarna kuning sampai jingga. Pigmen-pigmen tersebut mengelompok dalam

membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang berperan penting dalam

fotosintesis.

Klorofil a berada dalam bagian pusat reaksi. Klorofil ini berperan dalam

menyalurkan elektron yang berenergi tinggi ke akseptor utama elektron. Elektron

ini selanjutnya masuk ke sistem siklus elektron. Elektron yang dilepaskan klorofil

a mempunyai energi tinggi sebab memperoleh energi dari cahaya yang berasal dari

molekul perangkat pigmen yang dikenal dengan kompleks antena.

Fotosistem sendiri dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem

II. Pada fotosistem I ini penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang

sensitif terhadap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm sehingga klorofil a

disebut juga P700. Energi yang diperoleh P700 ditransfer dari kompleks antena.

Pada fotosistem II penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif

terhadap panjang gelombang 680 nm sehingga disebut P680. P680 yang teroksidasi

merupakan agen pengoksidasi yang lebih kuat daripada P700. Dengan potensial

redoks yang lebih besar, akan cukup elektron negatif untuk memperoleh elektron

dari molekul-molekul air.

Fotosintesis pada tumbuhan

Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung

dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk

20

menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi

untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis.

Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini:

6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2

Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa

dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui

respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum

reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas.

Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen

untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil.

Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam

organel yang disebut kloroplas. klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan

dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau

mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam

daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta

kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis

tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian

besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin

yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari

ataupun penguapan air yang berlebihan.

Proses

Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun.

Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk

melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, 21

tepatnya pada bagian stroma. Hasil fotosintesis (disebut fotosintat) biasanya

dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.

Pada dasarnya, rangkaian reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian

utama: reaksi terang (karena memerlukan cahaya) dan reaksi gelap (tidak

memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida).

Reaksi terang terjadi pada grana (tunggal: granum), sedangkan reaksi gelap terjadi

di dalam stroma. Dalam reaksi terang, terjadi konversi energi cahaya menjadi

energi kimia dan menghasilkan oksigen (O2). Sedangkan dalam reaksi gelap terjadi

seri reaksi siklik yang membentuk gula dari bahan dasar CO2 dan energi (ATP dan

NADPH). Energi yang digunakan dalam reaksi gelap ini diperoleh dari reaksi

terang. Pada proses reaksi gelap tidak dibutuhkan cahaya matahari. Reaksi gelap

bertujuan untuk mengubah senyawa yang mengandung atom karbon menjadi

molekul gula. Dari semua radiasi matahari yang dipancarkan, hanya panjang

gelombang tertentu yang dimanfaatkan tumbuhan untuk proses fotosintesis, yaitu

panjang gelombang yang berada pada kisaran cahaya tampak (380-700 nm).

Cahaya tampak terbagi atas cahaya merah (610 - 700 nm), hijau kuning (510 - 600

nm), biru (410 - 500 nm) dan violet (< 400 nm). Masing-masing jenis cahaya

berbeda pengaruhnya terhadap fotosintesis. Hal ini terkait pada sifat pigmen

penangkap cahaya yang bekerja dalam fotosintesis. Pigmen yang terdapat pada

membran grana menyerap cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu.

Pigmen yang berbeda menyerap cahaya pada panjang gelombang yang berbeda.

Kloroplas mengandung beberapa pigmen. Sebagai contoh, klorofil a terutama

menyerap cahaya biru-violet dan merah. Klorofil b menyerap cahaya biru dan

oranye dan memantulkan cahaya kuning-hijau. Klorofil a berperan langsung dalam

reaksi terang, sedangkan klorofil b tidak secara langsung berperan dalam reaksi

terang. Proses absorpsi energi cahaya menyebabkan lepasnya elektron berenergi

22

tinggi dari klorofil a yang selanjutnya akan disalurkan dan ditangkap oleh akseptor

elektron. Proses ini merupakan awal dari rangkaian panjang reaksi fotosintesis.

Reaksi terang

Reaksi terang dari fotosintesis pada membran tilakoid

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2.

Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan

penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.

Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu

fotosistem I dan II. Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa

fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm,

sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap

cahaya pada panjang gelombang 680 nm.

Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap dimana fotosistem II menyerap

cahaya matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan

muatan menjadi tidak stabil. Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil

elektron dari molekul H2O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan

oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim. Hal ini akan mengakibatkan

pelepasan H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air,

selanjutnya 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

23

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

24

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 terang adalah sebagai berikut:

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

Reaksi gelap

Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-

Benson dan siklus Hatch-Slack. Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah

senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi senyawa dengan jumlah atom karbon tiga

yaitu senyawa 3-phosphogliserat. Oleh karena itulah tumbuhan yang menjalankan

reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3. Penambatan CO2 sebagai

sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim rubisco. Tumbuhan yang

reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack disebut tumbuhan C-4 karena

senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO2 adalah oksaloasetat yang

memiliki empat atom karbon. Enzim yang berperan adalah phosphoenolpyruvate

carboxilase.

Siklus Calvin-Benson

Siklus Calvin-Benson

Mekanisme siklus Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO2 oleh ribulosa

difosfat karboksilase (RuBP) membentuk 3-fosfogliserat. RuBP merupakan enzim

alosetrik yang distimulasi oleh tiga jenis perubahan yang dihasilkan dari

25

pencahayaan kloroplas. Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan

pH. Jika kloroplas diberi cahaya, ion H+ ditranspor dari stroma ke dalam tilakoid

menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase,

terletak di permukaan luar membran tilakoid. Kedua, reaksi ini distimulasi oleh

Mg2+, yang memasuki stroma daun sebagai ion H+, jika kloroplas diberi cahaya.

Ketiga, reaksi ini distimulasi oleh NADPH, yang dihasilkan oleh fotosistem I

selama pemberian cahaya.

Fiksasi CO2 ini merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan

kloroplas. Fikasasi CO2 melewati proses karboksilasi, reduksi, dan regenerasi.

Karboksilasi melibatkan penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua

molekul 3-fosfogliserat(3-PGA). Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil

dalam 3-PGA direduksi menjadi 1 gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3-

Pgaldehida). Reduksi ini tidak terjadi secara langsung, tapi gugus karboksil dari 3-

PGA pertama-tama diubah menjadi ester jenis anhidrida asam pada asam 1,3-

bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terakhir dari ATP.

ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA

terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat menjadi ATP oleh reaksi

fotofosforilasi tambahan. Bahan pereduksi yang sebenarnya adalah NADPH, yang

menyumbang 2 elektron. Secara bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali

untuk mengubah ADP menjadi ATP.

Pada fase regenerasi, yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk

bereaksi dengan CO2 tambahan yang berdifusi secara konstan ke dalam dan

melalui stomata. Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap

molekul CO2 yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi

RuBP, kemudian daur dimulai lagi.

26

Tiga putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO2 dan produk akhirnya adalah

1,3-Pgaldehida. Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati, sebagian

lainnya dibawa keluar. Sistem ini membuat jumlah total fosfat menjadi konstan di

kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat di sitosol. Triosa fosfat

digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa.

Siklus Hatch-Slack

Berdasarkan cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat dibedakan menjadi

tumbuhan C3 dan C4. Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari

daerah subtropis. Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO2

melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO2.

Tumbuhan C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa. Namun,

ATP ini dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi

jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat CO2 tetapi

menambat O2. Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan di

daerah tropis. Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2

menjadi glukosa. Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim

yang akan mengikat CO2 dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat.

Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi

piruvat dan CO2. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO2 akan

masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan

melibatkan enzim RuBP. Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack, yang terjadi di

sel mesofil. Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.

Faktor penentu laju fotosintesis

Proses fotosintesis dipengaruhi beberapa faktor yaitu faktor yang dapat

memengaruhi secara langsung seperti kondisi lingkungan maupun faktor yang

27

tidak memengaruhi secara langsung seperti terganggunya beberapa fungsi organ

yang penting bagi proses fotosintesis. Proses fotosintesis sebenarnya peka terhadap

beberapa kondisi lingkungan meliputi kehadiran cahaya matahari, suhu

lingkungan, konsentrasi karbondioksida (CO2). Faktor lingkungan tersebut dikenal

juga sebagai faktor pembatas dan berpengaruh secara langsung bagi laju

fotosintesis.

Faktor pembatas tersebut dapat mencegah laju fotosintesis mencapai kondisi

optimum meskipun kondisi lain untuk fotosintesis telah ditingkatkan, inilah

sebabnya faktor-faktor pembatas tersebut sangat memengaruhi laju fotosintesis

yaitu dengan mengendalikan laju optimum fotosintesis. Selain itu, faktor-faktor

seperti translokasi karbohidrat, umur daun, serta ketersediaan nutrisi memengaruhi

fungsi organ yang penting pada fotosintesis sehingga secara tidak langsung ikut

memengaruhi laju fotosintesis.

Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis :

1. Intensitas cahaya

Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.

2. Konsentrasi karbon dioksida

Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang

dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.

3. Suhu

Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja

pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring

dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.

4. Kadar air

Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup,

28

menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju

fotosintesis.

5. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)

Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan

naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju

fotosintesis akan berkurang.

6. Tahap pertumbuhan

Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada

tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini

mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak

energi dan makanan untuk tumbuh.

Metabolisme

Santorio Santorio (1561—1636) diyakini pertama kali melakukan eksperimen atas

metabolisme dengan menggunakan timbangan besar.

29

Metabolisme (bahasa Yunani: μεταβολισμος, metabolismos, perubahan) adalah

semua reaksi kimia yang terjadi di dalam organisme, termasuk yang terjadi di

tingkat selular.

Secara umum, metabolisme memiliki dua arah lintasan reaksi kimia organik,

katabolisme, yaitu reaksi yang mengurai molekul senyawa organik untuk

mendapatkan energi

anabolisme, yaitu reaksi yang merangkai senyawa organik dari molekul-

molekul tertentu, untuk diserap oleh sel tubuh. Kedua arah lintasan

metabolisme diperlukan setiap organisme untuk dapat bertahan hidup. Arah

lintasan metabolisme ditentukan oleh suatu senyawa yang disebut sebagai

hormon, dan dipercepat (dikatalisis) oleh enzim. Pada senyawa organik,

penentu arah reaksi kimia disebut promoter dan penentu percepatan reaksi

kimia disebut katalis.

Pada setiap arah metabolisme, reaksi kimiawi melibatkan sejumlah substrat yang

bereaksi dengan dikatalisis enzim pada jenjang-jenjang reaksi guna menghasilkan

senyawa intermediat, yang merupakan substrat pada jenjang reaksi berikutnya.

Keseluruhan pereaksi kimia yang terlibat pada suatu jenjang reaksi disebut

metabolom. Semua ini dipelajari pada suatu cabang ilmu biologi yang disebut

metabolomika.

Jalur metabolisme

Jalur-jalur metabolisme penting mencakup:

Jalur umum

30

Metabolisme karbohidrat

Metabolisme lemak

Metabolisme protein

Metabolisme asam nukleat

Metabolisme asam assetat

Katabolisme

Jalur katabolisme yang menguraikan molekul kompleks menjadi senyawa

sederhana mencakup:

Respirasi sel, jalur metabolisme yang menghasilkan energi (dalam bentuk

ATP dan NADPH) dari molekul-molekul bahan bakar (karbohidrat, lemak,

dan protein). Jalur-jalur metabolisme respirasi sel juga terlibat dalam

pencernaan makanan.

o Katabolisme karbohidrat

Glikogenolisis, pengubahan glikogen menjadi glukosa.

Glikolisis, pengubahan glukosa menjadi piruvat dan ATP tanpa

membutuhkan oksigen.

Jalur pentosa fosfat, pembentukan NADPH dari glukosa.

o Katabolisme protein, hidrolisis protein menjadi asam amino.

Respirasi aerobik

o Transpor elektron

o Fosforilasi oksidatif

Respirasi anaerobik,

o Daur Cori

o Fermentasi asam laktat31

o Fermentasi

o Fermentasi etanol

Anabolisme

Jalur anabolisme yang membentuk senyawa-senyawa dari prekursor sederhana

mencakup:

Glikogenesis, pembentukan glikogen dari glukosa.

Glukoneogenesis, pembentukan glukosa dari senyawa organik lain.

Jalur sintesis porfirin

Jalur HMG-CoA reduktase, mengawali pembentukan kolesterol dan

isoprenoid.

Metabolisme sekunder, jalur-jalur metabolisme yang tidak esensial bagi

pertumbuhan, perkembangan, maupun reproduksi, namun biasanya

berfungsi secara ekologis, misalnya pembentukan alkaloid dan terpenoid.

Fotosintesis

Siklus Calvin dan fiksasi karbon

Air

Air adalah senyawa yang penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui

sampai saat ini di bumi, tetapi tidak di planet lain. Air menutupi hampir 71%

permukaan bumi. Terdapat 1,4 triliun kilometer kubik (330 juta mil³) tersedia di

bumi. Air sebagian besar terdapat di laut (air asin) dan pada lapisan-lapisan es (di

kutub dan puncak-puncak gunung), akan tetapi juga dapat hadir sebagai awan,

hujan, sungai, muka air tawar, danau, uap air, dan lautan es. Air dalam obyek-

obyek tersebut bergerak mengikuti suatu siklus air, yaitu: melalui penguapan,

hujan, dan aliran air di atas permukaan tanah (runoff, meliputi mata air, sungai,

32

muara) menuju laut. Air bersih penting bagi kehidupan manusia. Di banyak tempat

di dunia terjadi kekurangan persediaan air. Selain di bumi, sejumlah besar air juga

diperkirakan terdapat pada kutub utara dan selatan planet Mars, serta pada bulan-

bulan Europa dan Enceladus. Air dapat berwujud padatan (es), cairan (air) dan gas

(uap air). Air merupakan satu-satunya zat yang secara alami terdapat di permukaan

bumi dalam ketiga wujudnya tersebut.

Sifat-sifat kimia dan fisika

Air

Informasi dan sifat-sifat

Nama sistematis Air

Nama alternatifaqua, dihidrogen monoksida,

Hidrogen hidroksida

Rumus molekul H2O

Massa molar 18.0153 g/mol

Densitas dan fase 0.998 g/cm³ (cariran pada 20 °C)33

0.92 g/cm³ (padatan)

Titik lebur 0 °C (273.15 K) (32 °F)

Titik didih 100 °C (373.15 K) (212 °F)

Kalor jenis 4184 J/(kg·K) (cairan pada 20 °C)

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O: satu molekul air tersusun atas

dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat

tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada

tekanan 100 kPa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan

suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak

zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak

macam molekul organik.

Keadaan air yang berbentuk cair merupakan suatu keadaan yang tidak umum

dalam kondisi normal, terlebih lagi dengan memperhatikan hubungan antara

hidrida-hidrida lain yang mirip dalam kolom oksigen pada tabel periodik, yang

mengisyaratkan bahwa air seharusnya berbentuk gas, sebagaimana hidrogen

sulfida. Dengan memperhatikan tabel periodik, terlihat bahwa unsur-unsur yang

mengelilingi oksigen adalah nitrogen, flor, dan fosfor, sulfur dan klor. Semua

elemen-elemen ini apabila berikatan dengan hidrogen akan menghasilkan gas pada

temperatur dan tekanan normal. Alasan mengapa hidrogen berikatan dengan

oksigen membentuk fasa berkeadaan cair, adalah karena oksigen lebih bersifat

elektronegatif ketimbang elemen-elemen lain tersebut (kecuali flor). Tarikan atom

oksigen pada elektron-elektron ikatan jauh lebih kuat dari pada yang dilakukan

oleh atom hidrogen, meninggalkan jumlah muatan positif pada kedua atom

hidrogen, dan jumlah muatan negatif pada atom oksigen. Adanya muatan pada

tiap-tiap atom tersebut membuat molekul air memiliki sejumlah momen dipol.

Gaya tarik-menarik listrik antar molekul-molekul air akibat adanya dipol ini

34

membuat masing-masing molekul saling berdekatan, membuatnya sulit untuk

dipisahkan dan yang pada akhirnya menaikkan titik didih air. Gaya tarik-menarik

ini disebut sebagai ikatan hidrogen.

Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat

kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di

bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan

sebagai sebuah ion hidrogen (H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion

hidroksida (OH-).

Elektrolisis air

Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirinya

arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katoda, dua molekul air

bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H2 dan ion

hidrokida (OH-). Sementara itu pada anoda, dua molekul air lain terurai menjadi

gas oksigen (O2), melepaskan 4 ion H+ serta mengalirkan elektron ke katoda. Ion

H+ dan OH- mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul

air. Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan sebagai

berikut.

Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung

pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk

menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H2O2) yang dapat digunakan

sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen.

Kelarutan (solvasi)

35

Air adalah pelarut yang kuat, melarutkan banyak jenis zat kimia. Zat-zat yang

bercampur dan larut dengan baik dalam air (misalnya garam-garam) disebut

sebagai zat-zat "hidrofilik" (pencinta air), dan zat-zat yang tidak mudah tercampur

dengan air (misalnya lemak dan minyak), disebut sebagai zat-zat "hidrofobik"

(takut-air). Kelarutan suatu zat dalam air ditentukan oleh dapat tidaknya zat

tersebut menandingi kekuatan gaya tarik-menarik listrik (gaya intermolekul dipol-

dipol) antara molekul-molekul air. Jika suatu zat tidak mampu menandingi gaya

tarik-menarik antar molekul air, molekul-molekul zat tersebut tidak larut dan akan

mengendap dalam air.

Kohesi dan adhesi

Air menempel pada sesamanya (kohesi) karena air bersifat polar. Air memiliki

sejumlah muatan parsial negatif (σ-) dekat atom oksigen akibat pasangan elektron

yang (hampir) tidak digunakan bersama, dan sejumlah muatan parsial positif (σ+)

dekat atom oksigen. Dalam air hal ini terjadi karena atom oksigen bersifat lebih

elektronegatif dibandingkan atom hidrogen—yang berarti, ia (atom oksigen)

memiliki lebih "kekuatan tarik" pada elektron-elektron yang dimiliki bersama

dalam molekul, menarik elektron-elektron lebih dekat ke arahnya (juga berarti

menarik muatan negatif elektron-elektron tersebut) dan membuat daerah di sekitar

atom oksigen bermuatan lebih negatif ketimbang daerah-daerah di sekitar kedua

atom hidrogen.

Air memiliki pula sifat adhesi yang tinggi disebabkan oleh sifat alami ke-polar-

annya.

36

Bunga daisy ini berada di bawah permukaan air, akan tetapi dapat mekar dengan

tanpa terganggu. Tegangan permukaan mencegah air untuk menenggelamkan

bunga tersebut.

Air memiliki tegangan permukaan yang besar yang disebabkan oleh kuatnya sifat

kohesi antar molekul-molekul air. Hal ini dapat diamati saat sejumlah kecil air

ditempatkan dalam sebuah permukaan yang tak dapat terbasahi atau terlarutkan

(non-soluble); air tersebut akan berkumpul sebagai sebuah tetesan. Di atas sebuah

permukaan gelas yang amat bersih atau bepermukaan amat halus air dapat

membentuk suatu lapisan tipis (thin film) karena gaya tarik molekular antara gelas

dan molekul air (gaya adhesi) lebih kuat ketimbang gaya kohesi antar molekul air.

Dalam sel-sel biologi dan organel-organel, air bersentuhan dengan membran dan

permukaan protein yang bersifat hidrofilik; yaitu, permukaan-permukaan yang

memiliki ketertarikan kuat terhadap air. Irvin Langmuir mengamati suatu gaya

tolak yang kuat antar permukaan-permukaan hidrofilik. Untuk melakukan

dehidrasi suatu permukaan hidrofilik — dalam arti melepaskan lapisan yang terikat

dengan kuat dari hidrasi air — perlu dilakukan kerja sungguh-sungguh melawan

gaya-gaya ini, yang disebut gaya-gaya hidrasi. Gaya-gaya tersebut amat besar

nilainya akan tetapi meluruh dengan cepat dalam rentang nanometer atau lebih

kecil. Pentingnya gaya-gaya ini dalam biologi telah dipelajari secara ekstensif oleh

V. Adrian Parsegian dari National Institute of Health. Gaya-gaya ini penting

37

terutama saat sel-sel terdehidrasi saat bersentuhan langsung dengan ruang luar

yang kering atau pendinginan di luar sel (extracellular freezing).

Air dalam kehidupan

Dari sudut pandang biologi, air memiliki sifat-sifat yang penting untuk adanya

kehidupan. Air dapat memunculkan reaksi yang dapat membuat senyawa organic

untuk melakukan replikasi. Semua makhluk hidup yang diketahui memiliki

ketergantungan terhadap air. Air merupakan zat pelarut yang penting untuk

makhluk hidup dan adalah bagian penting dalam proses metabolisme. Air juga

dibutuhkan dalam fotosintesis dan respirasi. Fotosintesis menggunakan cahaya

matahari untuk memisahkan atom hidroden dengan oksigen. Hidrogen akan

digunakan untuk membentuk glukosa dan oksigen akan dilepas ke udara.

Kinase CD (bahasa Inggris: cyclin-dependent kinase, CDK, EC 2.7.11.22) adalah

sub-tipe dari enzim kinase yang berperan dalam siklus sel, transkripsi DNA dan

mRNA. CDK memicu fosforilasi pada residu asam amino serina dan treonina yang

disebut serina kinase. Siklin merupakan salah satu aktivator CDK, yang

membentuk kompleks CDK dengan sub-unit katalitik dari CDK. Karena aktivasi

CDK merupakan hal yang sangat penting pada transisi fasa dalam siklus sel,

aktivasinya terbentuk dari konvergensi jenjang reaksi kimia organik.

Keberadaan CDK sangat terjaga sepanjang perjalanan evolusi kehidupan. CDK

ditemukan pada semua sel eukariota, dari fungi hingga tumbuhan dan mamalia.

Bahkan, CDK dari sel manusia secara fungsional dapat saling menggantikan

dengan enzim yang ditemukan pada khamir

38

Siklus karbon

Siklus karbon adalah siklus biogeokimia dimana karbon dipertukarkan antara

biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer Bumi (objek astronomis lainnya bisa jadi

memiliki siklus karbon yang hampir sama meskipun hingga kini belum diketahui).

Dalam siklus ini terdapat empat reservoir karbon utama yang dihubungkan oleh

jalur pertukaran. Reservoir-reservoir tersebut adalah atmosfer, biosfer teresterial

(biasanya termasuk pula freshwater system dan material non-hayati organik seperti

karbon tanah (soil carbon), lautan (termasuk karbon anorganik terlarut dan biota

laut hayati dan non-hayati), dan sedimen (termasuk bahan bakar fosil). Pergerakan

tahuan karbon, pertukaran karbon antar reservoir, terjadi karena proses-proses

kimia, fisika, geologi, dan biologi yang bermaca-macam. Lautan mengadung

kolam aktif karbon terbesar dekat permukaan Bumi, namun demikian laut dalam

bagian dari kolam ini mengalami pertukaran yang lambat dengan atmosfer.

Neraca karbon global adalah kesetimbangan pertukaran karbon (antara yang

masuk dan keluar) antar reservoir karbon atau antara satu putaran (loop) spesifik

siklus karbon (misalnya atmosfer - biosfer). Analisis neraca karbon dari sebuah

kolam atau reservoir dapat memberikan informasi tentang apakah kolam atau

reservoir berfungsi sebagai sumber (source) atau lubuk (sink) karbon dioksida.

39

Diagram dari siklus karbon. Angka dengan warna hitam menyatakan berapa

banyak karbon tersimpan dalam berbagai reservoir, dalam milyar ton ("GtC"

berarti Giga Ton Karbon). Angka dengan warna biru menyatakan berapa banyak

karbon berpindah antar reservoir setiap tahun. Sedimen, sebagaimana yang

diberikan dalam diagram, tidak termasuk ~70 juta GtC batuan karbonat dan

kerogen

Bagian terbesar dari karbon yang berada di atmosfer Bumi adalah gas karbon

dioksida (CO2). Meskipun jumlah gas ini merupakan bagian yang sangat kecil dari

seluruh gas yang ada di atmosfer (hanya sekitar 0,04% dalam basis molar,

meskipun sedang mengalami kenaikan), namun ia memiliki peran yang penting

dalam menyokong kehidupan. Gas-gas lain yang mengandung karbon di atmosfer

adalah metan dan kloroflorokarbon atau CFC (CFC ini merupakan gas artifisial

atau buatan). Gas-gas tersebut adalah gas rumah kaca yang konsentrasinya di

atmosfer telah bertambah dalam dekade terakhir ini, dan berperan dalam

pemanasan global.

Karbon diambil dari atmosfer dengan berbagai cara:

Ketika matahari bersinar, tumbuhan melakukan fotosintesa untuk mengubah

karbon dioksida menjadi karbohidrat, dan melepaskan oksigen ke atmosfer.

Proses ini akan lebih banyak menyerap karbon pada hutan dengan tumbuhan

yang baru saja tumbuh atau hutan yang sedang mengalami pertumbuhan

yang cepat.

Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan CO2

akan lebih mudah larut. Selanjutnya CO2 yang larut tersebut akan terbawa

oleh sirkulasi termohalin yang membawa massa air di permukaan yang lebih

berat ke kedalaman laut atau interior laut (lihat bagian solubility pump).

40

Di laut bagian atas (upper ocean), pada daerah dengan produktivitas yang

tinggi, organisme membentuk jaringan yang mengandung karbon, beberapa

organisme juga membentuk cangkang karbonat dan bagian-bagian tubuh

lainnya yang keras. Proses ini akan menyebabkan aliran karbon ke bawah

(lihat bagian biological pump).

Pelapukan batuan silikat. Tidak seperti dua proses sebelumnya, proses ini

tidak memindahkan karbon ke dalam reservoir yang siap untuk kembali ke

atmosfer. Pelapukan batuan karbonat tidak memiliki efek netto terhadap CO2

atmosferik karena ion bikarbonat yang terbentuk terbawa ke laut dimana

selanjutnya dipakai untuk membuat karbonat laut dengan reaksi yang

sebaliknya (reverse reaction).

Karbon dapat kembali ke atmosfer dengan berbagai cara pula, yaitu:

Melalui pernafasan (respirasi) oleh tumbuhan dan binatang. Hal ini

merupakan reaksi eksotermik dan termasuk juga di dalamnya penguraian

glukosa (atau molekul organik lainnya) menjadi karbon dioksida dan air.

Melalui pembusukan binatang dan tumbuhan. Fungi atau jamur dan bakteri

mengurai senyawa karbon pada binatang dan tumbuhan yang mati dan

mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika tersedia oksigen, atau

menjadi metana jika tidak tersedia oksigen.

Melalui pembakaran material organik yang mengoksidasi karbon yang

terkandung menghasilkan karbon dioksida (juga yang lainnya seperti asap).

Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk dari industri

perminyakan (petroleum), dan gas alam akan melepaskan karbon yang sudah

tersimpan selama jutaan tahun di dalam geosfer. Hal inilah yang merupakan

penyebab utama naiknya jumlah karbon dioksida di atmosfer.

41

Produksi semen. Salah satu komponennya, yaitu kapur atau gamping atau

kalsium oksida, dihasilkan dengan cara memanaskan batu kapur atau batu

gamping yang akan menghasilkan juga karbon dioksida dalam jumlah yang

banyak.

Di permukaan laut dimana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida terlarut

dilepas kembali ke atmosfer.

Erupsi vulkanik atau ledakan gunung berapi akan melepaskan gas ke

atmosfer. Gas-gas tersebut termasuk uap air, karbon dioksida, dan belerang.

Jumlah karbon dioksida yang dilepas ke atmosfer secara kasar hampir sama

dengan jumlah karbon dioksida yang hilang dari atmosfer akibat pelapukan

silikat; Kedua proses kimia ini yang saling berkebalikan ini akan

memberikan hasil penjumlahan yang sama dengan nol dan tidak

berpengaruh terhadap jumlah karbon dioksida di atmosfer dalam skala waktu

yang kurang dari 100.000 tahun.

Karbon di biosfer

Sekitar 1900 gigaton karbon ada di dalam biosfer. Karbon adalah bagian yang

penting dalam kehidupan di Bumi. Ia memiliki peran yang penting dalam struktur,

biokimia, dan nutrisi pada semua sel makhluk hidup. Dan kehidupan memiliki

peranan yang penting dalam siklus karbon:

Autotroph adalah organisme yang menghasilkan senyawa organiknya sendiri

dengan menggunakan karbon dioksida yang berasal dari udara dan air di

sekitar tempat mereka hidup. Untuk menghasilkan senyawa organik tersebut

mereka membutuhkan sumber energi dari luar. Hampir sebagian besar

autotroph menggunakan radiasi matahari untuk memenuhi kebutuhan energi

tersebut, dan proses produksi ini disebut sebagai fotosintesis. Sebagian kecil

autotroph memanfaatkan sumber energi kimia, dan disebut kemosintesis.

42

Autotroph yang terpenting dalam siklus karbon adalah pohon-pohonan di

hutan dan daratan dan fitoplankton di laut. Fotosintesis memiliki reaksi

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Karbon dipindahkan di dalam biosfer sebagai makanan heterotrop pada

organisme lain atau bagiannya (seperti buah-buahan). Termasuk di dalamnya

pemanfaatan material organik yang mati (detritus) oleh jamur dan bakteri

untuk fermentasi atau penguraian.

Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer melalui pernafasan atau

respirasi. Ketika tersedia oksigen, respirasi aerobik terjadi, yang melepaskan

karbon dioksida ke udara atau air di sekitarnya dengan reaksi C6H12O6 + 6O2

→ 6CO2 + 6H2O. Pada keadaan tanpa oksigen, respirasi anaerobik lah yang

terjadi, yang melepaskan metan ke lingkungan sekitarnya yang akhirnya

berpindah ke atmosfer atau hidrosfer.

Pembakaran biomassa (seperti kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk

tungku penghangat atau kayu bakar, dll.) dapat juga memindahkan karbon

ke atmosfer dalam jumlah yang banyak.

Karbon juga dapat berpindah dari bisofer ketika bahan organik yang mati

menyatu dengan geosfer (seperti gambut). Cangkang binatang dari kalsium

karbonat yang menjadi batu gamping melalui proses sedimentasi.

Sisanya, yaitu siklus karbon di laut dalam, masih dipelajari. Sebagai contoh,

penemuan terbaru bahwa rumah larvacean mucus (biasa dikenal sebagai

"sinkers") dibuat dalam jumlah besar yang mana mampu membawa banyak

karbon ke laut dalam seperti yang terdeteksi oleh perangkap sedimen.

Karena ukuran dan kompisisinya, rumah ini jarang terbawa dalam perangkap

sedimen, sehingga sebagian besar analisis biokimia melakukan kesalahan

dengan mengabaikannya.

43

Penyimpanan karbon di biosfer dipengaruhi oleh sejumlah proses dalam skala

waktu yang berbeda: sementara produktivitas primer netto mengikuti siklus harian

dan musiman, karbon dapat disimpan hingga beberapa ratus tahun dalam pohon

dan hingga ribuan tahun dalam tanah. Perubahan jangka panjang pada kolam

karbon (misalnya melalui de- atau afforestation) atau melalui perubahan

temperatur yang berhubungan dengan respirasi tanah) akan secara langsung

memengaruhi pemanasan global.

Vitamin adalah sekelompok senyawa organik amina berbobot molekul kecil yang

memiliki fungsi vital dalam metabolisme setiap organisme. yang tidak dapat

dihasilkan oleh tubuh.

Nama ini berasal dari gabungan kata bahasa Latin vita yang artinya "hidup" dan

amina (amine) yang mengacu pada suatu gugus organik yang memiliki atom

nitrogen (N), karena pada awalnya vitamin dianggap demikian. Kelak diketahui

bahwa banyak vitamin yang sama sekali tidak memiliki atom N. Dipandang dari

sisi enzimologi (ilmu tentang enzim), vitamin adalah kofaktor dalam reaksi kimia

yang dikatalisasi oleh enzim. Pada dasarnya, senyawa vitamin ini digunakan tubuh

untuk dapat bertumbuh dan berkembang secara normal.

Biokimia adalah kimia makhluk hidup. Biokimiawan mempelajari molekul dan

reaksi kimia terkatalisis oleh enzim yang berlangsung dalam semua organisme.

Biokimia merupakan ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi komponen selular,

seperti protein, karbohidrat, lipid, asam nukleat, dan biomolekul lainnya. Saat ini

biokimia lebih terfokus secara khusus pada kimia reaksi termediasi enzim dan

sifat-sifat protein.

44

Saat ini, biokimia metabolisme sel telah banyak dipelajari. Bidang lain dalam

biokimia di antaranya sandi genetik (DNA, RNA), sintesis protein, angkutan

membran sel, dan transduksi sinyal.

Perkembangan biokimia

Kebangkitan biokimia diawali dengan penemuan pertama molekul enzim, diastase,

pada tahun 1833 oleh Anselme Payen. Tahun 1828, Friedrich Wöhler menerbitkan

sebuah buku tentang sintesis urea, yang membuktikan bahwa senyawa organik

dapat dibuat secara mandiri. Penemuan ini bertolak belakang dengan pemahaman

umum pada waktu itu yang meyakini bahwa senyawa organik hanya bisa dibuat

oleh organisme. Istilah biokimia pertama kali dikemukakan pada tahun 1903 oleh

Karl Neuber, seorang kimiawan Jerman. Sejak saat itu, biokimia semakin

berkembang, terutama sejak pertengahan abad ke-20, dengan ditemukannya

teknik-teknik baru seperti kromatografi, difraksi sinar X, elektroforesis, RMI

(nuclear magnetic resonance, NMR), pelabelan radioisotop, mikroskop elektron,

dan simulasi dinamika molekular. Teknik-teknik ini memungkinkan penemuan dan

analisis yang lebih mendalam berbagai molekul dan jalur metabolik sel, seperti

glikolisis dan siklus Krebs. Perkembangan ilmu baru seperti bioinformatika juga

banyak membantu dalam peramalan dan pemodelan struktur molekul raksasa.

Saat ini, penemuan-penemuan biokimia digunakan di berbagai bidang, mulai dari

genetika hingga biologi molekular dan dari pertanian hingga kedokteran.

Penerapan biokimia yang pertama kali barangkali adalah dalam pembuatan roti

menggunakan khamir, sekitar 5000 tahun yang lalu.

Biomolekul

Ada 4 kelas molekul utama dalam biokimia yaitu: karbohidrat, lipid, protein, dan

asam nukleat. Banyak molekul biologi merupakan "polimer": dalam kasus ini, 45

monomer adalah mikromolekul yang relatif kecil yang bergabung menjadi satu

untuk membentuk makromolekul-makromolekul, yang kemudian disebut sebagai

"polimer". Ketika banyak monomer bergabung untuk mensintesis sebuah polimer

biologis, mereka melalui proses/tahap yang disebut dengan sintesis dehidrasi.

Karbohidrat tersusun dari monomer yang disebut sebagai monosakarida. Contoh

dari monosakarida adalah glukosa (C6H12O6), fruktosa (C6H12O6), dan deoksiribosa

(C5H10O4). Ketika 2 monosakarida melalui proses sintesis dehidrasi, maka air akan

terbentuk, karena 2 atom hidrogen dan satu atom oksigen telepas dari 2 gugus

hidroksil monosakarida.

Lipid biasanya terbentuk dari satu molekul gliserol yang bergabung dengan

molekul lain. Di trigliserida, ada satu mol gliserol dan tiga molekul asam lemak.

Asam lemak merupakan monomer disini.

Lipid, terutama fosfolipid, juga digunakan di beberapa produk obat-obatan,

misalnya sebagai bahan pelarut (contohnya di infus parenteral) atau sebagai

komponen pembawa obat (contohnya di liposom atau transfersom).

Protein merupakan molekul yang sangat besar atau makrobiopolimer yang

tersusun dari monomer yang disebut asam amino. Ada 20 asam amino standar,

yang masing-masing terdiri dari sebuah gugus karboksil, sebuah gugus amino, dan

rantai samping (disebut sebagai grup "R"). Grup "R" ini yang menjadikan setiap

asam amino berbeda, dan ciri-ciri dari rantai samping ini akan berpengaruh

keseluruhan terhadap suatu protein. Ketika asam amino bergabung, mereka

membentuk ikatan khusus yang disebut ikatan peptida melalui sintesis dehidrasi,

dan menjadi Polipeptida, atau protein.

46

Asam nukleat

Struktur dari asam deoksiribosa nukleat (DNA), gambar ini menunjukkan

monomernya diletakkan bersamaan.

Asam nukleat adalah molekul yang membentuk DNA, substansi yang sangat

penting yang digunakan oleh semua organisme seluler untuk menyimpan informasi

genetik. Jenis asam nukleat yang paling umum adalah asam deoksiribosa nukleat

dan asam ribonukleat. Monomernya disebut nukleotida. Nukleotida yang paling

umum diantaranya Adenin, Sitosin, Guanin, Timin, dan Urasil. Adenin

berpasangan dengan timin dan urasil, timin hanya berpasangan dengan adenin;

sitosin dan guanin hanya dapat berpasangan satu sama lain.

Karbohidrat

47

Fungsi dari karbohidrat adalah sebagai pembangun dan sumber energi. Gula

merupakan karbohidrat, tapi tidak semua karbohidrat adalah gula. Jumlah

karbohidrat di bumi lebih banyak daripada jumlah biomolekul manapun.

Monosakarida

Tipe karbohidrat yang paling sederhana adalah monosakarida, yang biasanya

terdiri dari atom karbon, hidrogen, dan oksigen, kebanyakan dengan perbandingan

1:2:1 (formula umumnya CnH2nOn, dimana n paling kecil adalah 3). Glukosa, salah

satu karbohidrat yang paling penting, merupakan contoh dari monosakarida. Juga

termasuk dengan fruktosa, gula yang biasanya ditemukan dalam manisnya buah-

buahan.[1][a] Beberapa karbohidrat (terutama setelah kondensasi menjadi oligo- dan

polisakarida) memiliki jumlah karbon yang relatif lebih rendah daripada H dan O.

Monosakarida dapat dikelompokkan ke aldosa (mempunyai grup aldehida di akhir

rantainya, contohnya glukosa) dan ketosa (mempunyai grup keton di rantainya,

contohnya fruktosa).

Dua monosakarida dapat bergabung menjadi satu melalui sintesis dehidrasi. Maka,

akan dilepaskan satu atom hidrogen dan satu grup hidroksil (OH-). Atom hidrogen

dan hidroksil akan bergabung dan membentuk molekul air (H-OH atau H2O), maka

dari itu disebut "dehidrasi". Molekul baru ini disebut "disakarida". Reaksinya pun

bisa berbalik arah (reaksi pemecahan), dengan menggunakan satu molekul air

untuk memecah satu molekul disakarida, maka akan memecah ikatan glikosidik

pada disakarida. Reaksi inilah yang disebut dengan hidrolisis. Jenis disakarida

yang paling dikenal adalah sukrosa atau yang biasanya kita kenal dengan gula tebu.

Satu molekul sukrosa terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa.

Disakarida yang lain contohnya laktosa, terdiri dari satu molekul glukosa dan satu

48

molekul galaktosa. Di dalam tubuh, dikenal adanya enzim laktase yang memecah

laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Biasanya, pada orang berusia lanjut,

produksi laktase semakin sedikit dan akibatnya adalah penyakit intoleransi laktosa.

Oligosakarida dan polisakarida

Ketika beberapa (sekitar 3-6) monosakarida bergabung menjadi satu, maka akan

disebut sebagai oligosakarida (oligo- artinya "sedikit"). Jika banyak monosakarida

bergabung menjadi satu, maka akan disebut sebagai polisakarida. Monosakarida

dapat bergabunf membentuk satu rantai panjang, atau mungkin bercabang-cabang.

2 jenis polisakarida yang paling dikenal adalah selulosa dan glikogen, dua-duanya

terdiri dari monomer glukosa.

Selulosa dibuat oleh tumbuhan dan merupakan komponen penting yang

membentuk dinding sel. Manusia tidak bisa membuat ataupun mencerna

selulosa.

Glikogen, atau nama lainnya adalah gula otot, digunakan oleh manusia dan

hewan sebagai sumber energi.

49

Penggunaan karbohidat sebagai sumber energi

Glukosa merupakan sumber energi utama bagi makhluk hidup. Contohnya,

polisakarida akan dipecah menjadi monomer-monomernya (fosforilase glikogen

akan membuang residu glukosa dari glikogen). Disakarida seperti laktosa atau

sukrosa akan dipecah menjadi 2 komponen monosakaridanya.

Glikolisis (anaerob)

Glukosa akan dicerna dalam tubuh dalam reaksi respirasi. Tahapan pertama dalam

reaksi respirasi adalah glikolisis. Tahapan glikolisis dimulai dari satu molekul

glukosa sampai tahap akhirnya akan dihasilkan 2 molekul piruvat. Tahap ini juga

akan menghasilkan 2 ATP dan memberikan dua elektron dan satu hidrogen pada

NAD+ sehingga menjadi NADH. Tahap ini tidak membutuhkan oksigen. Jika

persediaan oksigen dalam tubuh tidak cukup, maka NADH akan digunakan untuk

mengubah piruvat menjadi asam laktat (dalam tubuh manusia]] atau menjadi etanol

dan karbon dioksida.

Aerob

Dalam respirasi aerob, sel yang mendapat cukup oksigen, piruvat yang dihasilkan

dari tahap glikolisis akan dicerna kembali dan diubah menjadi Asetil Ko-A. Piruvat

akan membuang satu atom karbonnya (menjadi karbon dioksida) dan akan

memberikan elektronnya lagi pada NAD+ sehingga menjadi NADH. 2 molekul

Asetil Ko-A akan memasuki tahap siklus Krebs, dan akan menghasilkan lagi 2

ATP, 6 molekul NADH, dan 2 ubiquinon (FADH2), serta karbon dioksida. Energi

di NADH dan FADH2 nantinya akan digunakan di transpor elektron. Energi ini

dipakai dengan cara dilepaskannya elektron dan H+ dari NADH dan FADH2 secara

bertahap di sistem transpor elektron. Sistem transpor elektron akan memompa H+

keluar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam 50

mitokondria akan menyebabkan gradien proton, sehingga H+ akan masuk kembali

ke membran dalam mitokondria melalui ATP sintase. Oksigen bertugas sebagai

penerima elektron akhir, sehingga proses pembentukan ATP terus berlanjut.

Oksigen yang bergabung dengan H+ akan membentuk air. NAD+ dan FAD akan

digunakan kembali dalam sistem respirasi, seperti yang telah dijelaskan

sebelumnya. Hal ini yang menyebabkan mengapa kita menghirup oksigen dan

melepaskan karbon dioksida. Dalam 1 molekul glukosa akan dihasilkan total 36

ATP, dan satu ATP dapat melepaskan 7,3 kilokalori.

Glukoneogenesis

Dalam tubuh vertebrata, otot lurik yang dipaksa bekerja keras (misalnya selagi

angkat beban atau lari), tidak akan mendapatkan oksigen yang cukup sehingga

akan melakukan metabolisme anaerob, maka akan mengubah glukosa menjadi

asam laktat. Organ hati akan menghasilkan kembali glukosa tersebut, melalui

proses yang dinamakan glukoneogenesis. Proses glukoneogenesis sebenarnya

membutuhkan energi 3 kali lebih banyak daripada yang dihasilkan dalam proses

glikolisis (ada 6 ATP yang dibuat, sedangkan glikolisis hanya menghasilkan 2

ATP).

Protein

Seperti karbohidrat, beberapa protein juga memiliki fungsi vital dalam tubuh.

Contohnya, pergerakan dari protein aktin dan miosin sangat berperan bagi

kontraksi otot lurik. Salah satu ciri dari kebanyakan protein adalah mereka hanya

dapat mengikat secara spesifik, hanya satu molekul tertentu atau satu grup

molekul, sehingga sangat selektif. Antibodi adalah satu contoh protein yang hanya

dapat mengikat satu tipe molekul saja. Salah satu jenis protein yang paling penting 51

adalah enzim. Molekul enzim hanya dapat mengenali satu jenis molekul reaktan

saja, reaktan ini disebut sebagai substrat. Enzim akan mengkatalis reaksi, sehingga

energi aktivasi akan menurun, dan kecepatan reaksi dapat berlangsung lebih cepat

sampai 1011 kalinya. Sebuah reaksi mungkin akan memakan waktu 3.000 tahun

untuk betul-betul selesai, tapi dengan enzim mungkin menjadi kurang dari satu

detik. Enzim sendiri tidak digunakan dalam proses reaksinya, sehingga akan

langsung mengkatalis substrat lainnya.

Pada dasarnya, protein terdiri dari rantai asam amino. Sebuah asam amino terdiri

dari satu atom karbon yang berikatan dengan 4 grup. Grup pertama dalah gugus

amino, —NH2, grup kedua adalah asam karboksilik, —COOH (meskipun eksisnya

sebagai —NH3+ dan —COO− dalam kondisi fisiologis). Grup yang ketiga adalah

atom hidrogen. Grup yang keempat biasanya disingkat sebagai "—R", dan grup

inilah yang membedakan antar asam amino. Ada 20 macam asam amino standar.

Beberapa dari mereka mempunyai fungsi sendiri-sendiri, misalnya, fungsi glutamat

adalah sebagai neurotransmiter.

Asam amino dapat bergabung melalui ikatan peptida. Dalam sintesis dehidrasi ini,

sebuah molekul air akan dilepaskan dan ikatan peptida akan menghubungkan atom

nitrogen dari asam amino yang satu dengan atom karbon dari gugus asam karboksil

lain. Maka, hasilnya adalah dipeptida. Rangkaian beberapa asam amino (biasanya

lebih kecil dari 30) disebut polipeptida. Untuk rangkaian yang lebih panjang,

biasanya disebut sebagai protein. Sebagai contoh, protein albumin pada plasma

darah terdiri dari 585 residu asam amino.

Struktur dari protein bisa dijelaskan melalui empat tingkatan. Struktur utama dari

protein terdiri dari rangkaian linear asam amino, misalnya, "alanin-glisin-triptofan-

serin-glutamat-asparagin-glisin-lisin-…". Struktur sekunder lebih kepada

morfologi lokal. Beberapa kombinasi dari asam amino akan cenderung membentuk

52

gulungan yang disebut dengan α-helix atau menjadi lembaran yang disebut dengan

β-sheet. Struktur tersier adalah bentuk 3 dimensi protein tersebut secara

keseluruha. Bentuk ini akan ditentukan oleh urutan asam amino. Jika ada satu

perubahan saja maka akan mengubah keseluruhan struktur. Rantai alfa hemoglobin

terdiri dari 146 residu asam amino, jika residu glutamat di posisi ke-6 digantikan

dengan valin, maka akan mengubah sifat hemoglobin tersebut, dan mengakibatkan

penyakit anemia sel sabit. Struktur kuartener lebih memfokuskan pada struktur dari

protein dengan beberapa subunit peptida. Contohnya, hemoglobin dengan keempat

subunitnya. Tidak semua protein memiliki lebih dari satu subunit.

Protein yang masuk ke dalam tubuh akan dipecah menjadi asam amino atau

dipeptida di dalam usus halus, baru kemudian bisa diserap oleh tubuh. Nantinya,

asam amino ini dapat bergabung kembali untuk membentuk protein yang baru.

Produk antara dari glikolisis, siklus asam sitrat, dan jalur fosfat pentosa dapat

digunakan untuk membentuk kedua puluh macam asam amino. Manusia dan

mamalia lainnya hanya dapat mensintesa separuh dari ke-20 macam amino

tersebut. Tubuh manusia tidak dapat mensintesa isoleusin, leusin, lisin, metionin,

fenilalanin, treonin, triptofan, dan valin. Asam amino ini merupakan asam amino

esensial, karena penting bagi tubuh. Mamalia dapat mensintesa asam amino non

esensial, yaitu alanin, asparagin, aspartat, sistein, glutamat, glutamin, glisin, prolin,

serin, dan tirosin. Arginin dan histidin juga dapat disintesa mamalia, tapi hanya

dapat diproduksi dalam jumlah terbatas, sehingga terkadang juga disebut sebagai

asam amino esensial.

Jika gugus amino dilepaskan dari sebuah asam amino, maka akan menyisakan

asam keto-α. Enzim transaminase akan mudah memindahkan gugus amino yang

lepas ini ke asam keto-α lainnya. Hal ini penting di dalam biosintesis dari asam

amino, seperti dalam banyak jalur, zat antara dari jalur biokimia lainnya akan

53

diubah menjadi asam keto-α, lalu sebuah gugus amino ditambahkan lewat

transaminasi. Maka, asam amino dapat digabung-gabungkan untuk membentuk

protein.

Proses yang mirip digunakan untuk memecah protein. Pertama-tama, protein akan

terhidrolisa menjadi komponen-komponennya, yaitu asam amino. Amonia bebas

(NH3), berada dalam bentuk ion amonium (NH4+) di dalam darah, akan berbahaya

bagi tubuh, maka harus dikeluarkan. Organisme uniseluler hanya tinggal

melepaskan saja amonia ini keluar tubuh. Di dalam tubuh mamalia, amonia akan

diubah menjadi urea, lewat siklus urea.

Lipid

Kata lipid merujuk kepada suatu kelompok molekul yang beragam, termasuk juga

kelompok molekul yang sulit larut dalam air (contohnya malam, asam lemak, dan

turunan asam lemak seperti fosfolipid, sfingolipid, glikolipid, dan terpenoid.

Beberapa lipid merupakan molekul alifatik linear, tapi ada juga yang mempunyai

struktur cincin. Beberapa juga molekul aromatik, dan beberapa juga lunak.

Beberapa lipid mempunyaii sifat polar meskipun kebanyakan dari mereka

merupakan nonpolar/hidrofobik ("takut air"). Tapi ada beberapa bagian dari

strukturnya bersifat hidrofilik ("suka-air"), sehingga membuat molekul ini menjadi

amfifilik (mempunyai sifat hidrofobik dan hidrofilik). Dalam kasus kolesterol,

gugus polarnya hanya -OH (hidroksil atau alkohol). Dalam kasus fosfolipid, gugus

polarnya lebih besar sehingga dianggap polar.

54

Lipid merupakan salah satu unsur penting dalm tubuh. Kebanyakan produk minyak

dan produk susu yang kita gunakan untuk masak dan makan seperti mentega, keju,

dan minyak samin terdiri dari lemak. Makanan yang mengandung lemak, jika

dicerna dalam tubuh maka akan dipecah menjadi asam lemak dan gliserol.

Asam nukleat merupakan makromolekul biokimia yang kompleks, terdiri dari

rantai-rantai nukleotida yang menyimpan informasi genetik. Jenis asam nukleat

yang paling umum adalah asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat

(RNA). Asam nukleat ditemukan di segala jenis sel makhluk hidup. Disamping

sebagai penyimpan informasi genetik, asam nukleat juga berperan dalam

penyampai pesan kedua, serta pembentuk molekul dasar untuk adenosin trifosfat.

Monomer dari asam nukleat disebut nukleotida, dan tiap nukleotida terdiri dari 3

komponen: basa nitrogen (purin dan pirimidin), gula pentosa/senyawa gula karbon-

5, dan gugus fosfat. Perbedaan tipe asam nukleat dapat ditemukan di jenis gula

pada rantainya (contohnya, DNA terdiri dari 2 deoksiribosa). Juga, jenis basa

nitrogen yang mungkin ada di asam nukleat juga bisa berbeda: adenin, sitosin, dan

guanin bisa ada di RNA dan DNA, timin hanya pada DNA, dan urasil hanya pada

RNA.

TRANSPIRASI

• Proses hilangnya air dalam bentuk uap air dari jaringan hidup tanaman yang

terletak di atas permukaan tanah melewati stomata, lubang kutikula, dan

lentisel

55

• 80% air yang ditranspirasikan berjalan melewati lubang stomata, paling

besar peranannya dalamtranspirasi.

56

57

Macam transpirasi

• Stomater : 80-90% total transpirasi

• Kutikuler: 20% total transpirasi

• Lentikuler : 0,1% total transpirasi

Teori perubahan pati menjadi gula

• Siang hari terjadi fotosintesis, CO2 diserap, kandungannya dalam ruang

antar sel menurun, pH naik (7), pati dalam sel penjaga terhidrolisis menjadi

gula, Ψs sel penjaga turun, Ψw turun, endoosmosis di sel penjaga, Ψp naik,

dinding sel penjaga tertekan ke arah luar, stomata terbuka

58

Teori pengangkutan proton (K+)

• Pada siang hari, saat fotosintesis di sel penjaga terbentuk zat antara

fotosintesis yaitu asam malat, kemudian dipecah menjadi H+ dan ion malat,

H+ keluar dari sel penjaga, kedudukannya digantikan K+, terjadi ikatan K+ dg

ion malat membentuk kalium malat, Kmalat masuk ke vakuola sel penjaga

dan menurunkan Ψs nya. Terjadi endoosmosis ke dalam sel penjaga, Ψp sel

penjaga naik, turgor, dinding sel dari sel penjaga tertekan ke arah luar,

stomata membuka

Bukaan stomata pada tanaman CAM

• Tanaman CAM membuka stomatanya malam hari, pada malam hari terjadi

respirasi tidak sempurna dan KH diubah menjadi asam malat, dari respirasi

tersebut CO2 tidak dilepaskan, tetap diikat, pH tetap tinggi (7), pati dalam

sel penjaga dihidrolisis menjadi gula, Ψs nya menurun, terjadi endoosmosis,

Ψp sel penjaga naik, turgor, dinding sel penjaga tertekan ke arah luar,

stomata membuka

Antitranspiran

• Senyawa kimia yang diberikan ke pada tanaman dengan tujuan untuk

menurunkan laju transpirasi

• Mekanisme kerja: melalui penutupan lubang stomata oleh partikel tertentu

maupun dengan mendorong berlangsungnya mekanisme fisiologis yang

menyebabkan stomata menutup

• Harganya sangat mahal dan belum ada yang efektif untuk menurunkan laju

transpirasi

59

Gerakan Partikel

• Tanaman bertambah besar ukurannya karena adanya bahan tambahan berupa

partikel

• Partikel berupa ion atau molekul yang masuk dan keluar dari dalam tubuh

tanaman

• Ion yang masuk antara lain berupa nutrisi misalnya NH4+, NO3

- dll

• Molekul yang masuk misalnya : CO2 dan H2O

• Molekul yang keluar misalnya O2 dan H2O

• Masuk dan keluarnya partikel dengan proses gerakan partikel berupa difusi,

osmosis dan imbibisi

Difusi

gerakan partikel dari tempat dengan potensial kimia lebih tinggi ke tempat

dengan potensial kimia lebih rendah karena energi kinetiknya sendiri sampai

terjadi keseimbangan dinamis.

• Potensial kimia : energi bebas per mol

• Energi bebas : energi untuk melakukan kerja

60

• Energi kinetik : energi yang dimiliki partikel dengan suhu di atas 0o K untuk

melakukan gerakan

• Keseimbangan dinamis : partikel tetap bergerak namun jumlah yang masuk

seimbang dengan jumlah yang keluar, sehingga difusi berhenti

Osmosis

• Osmosis : gerakan air dari potensial air lebih tinggi ke potensial air lebih

rendah melewati membran selektif permeabel sampai dicapai keseimbangan

dinamis

61

Arah gerakan air

• Dari potensial air lebih tinggi ke potensial air lebih rendah

• Dari dataran lebih rendah ke dataran lebih tinggi

• Dari larutan dengan konsentrasi lebih rendah ke konsentrasi lebih tinggi

• Dari larutan lebih encer ke larutan lebih kental

Ketentuan dalam gerakan air

• Saat seimbang dinamik , potensial air atau dataran sama

• Bila salah satu bagian tidak terbatas misal lengas tanah, potensial air sama

dengan bagian yang tidak terbatas

• Bila dua bagian terbatas , potensial air akhir merupakan rata-rata

• Potensial solut tidak berubah sampai potensial tekanan mencapai 0 bar

PERTUMBUHAN adalah proses pertambahan ukuran sel atau organisme.

Pertumbuhan ini bersifat kuantitatif/ terukur.

PERKEMBANGAN adalah proses menuju kedewasaan pada organisme.

Proses ini berlangsung secara kualitatif.

Baik pertumbuhan atau perkembangan bersifat irreversibel.

PERTUMBUHAN PADA TUMBUHAN

62

Secara umum pertumbuhan dan pekembangan pada tumbuhan diawali untuk

stadium zigot yang merupakan hasil pembuahan sel kelamin betina dengan

jantan. Pembelahan zigot menghasilkan jaringan meristem yang akan terus

membelah dan mengalami diferensiasi.

Diferensiasi adalah perubahan yang terjadi dari keadaan sejumlah sel,

membentuk organ-organ yang mempunyai struktur dan fungsi yang berbeda.

Terdapat 2 macam pertumbuhan, yaitu:

1. Pertumbuhan Primer

Terjadi sebagai hasil pembelahan sel-sel jaringan meristem primer.

Berlangsung pada embrio, bagian ujung-ujung dari tumbuhan seperti akar

dan batang.

Embrio memiliki 3 bagian penting :

a. tunas embrionik yaitu calon batang dan daun

b. akar embrionik yaitu calon akar

c. kotiledon yaitu cadangan makanan

• Gbr. Embrio Tumbuhan

63

Pertumbuhan tanaman dapat diukur dengan alat yang disebut auksanometer.

Daerah pertumbuhan pada akar dan batang berdasar aktivitasnya tcrbagi

menjadi 3 daerah

a. Daerah pembelahan

Sel-sel di daerah ini aktif membelah (meristematik)

b. Daerah pemanjangan

Berada di belakang daerah pembelahan

c. Daerah diferensiasi

Bagian paling belakang dari daerah pertumbuhan. Sel-sel mengalami

diferensiasi membentuk akar yang sebenarnya serta daun muda dan

tunas lateral yang akan menjadi cabang.

2. Pertumbuhan Sekunder

Merupakan aktivitas sel-sel meristem sekunder yaitu kambium dan kambium

gabus. Pertumbuhan ini dijumpai pada tumbuhan dikotil, gymnospermae dan

menyebabkan membesarnya ukuran (diameter) tumubuhan.

- Mula-mula kambium hanya terdapat pada ikatan pembuluh, yang disebut

kambium vasis atau kambium intravasikuler. Fungsinya adalah membentuk

xilem dan floem primer.

- Selanjutnya parenkim akar/batang yang terletak di antara ikatan pembuluh,

menjadi kambium yang disebut kambium intervasis.

- Kambium intravasis dan intervasis membentuk lingkaran tahun Þ bentuk

konsentris.

64

Kambium yang berada di sebelah dalam jaringan kulit yang berfungsi

sebagai pelindung. Terbentuk akibat ketidakseimbangan antara

permbentukan xilem dan floem yang lebih cepat dari pertumbuhan kulit.

- ke dalam membentuk feloderm : sel-sel hidup

- ke luar membentuk felem : sel-sel mati

Adaptasi adalah cara bagaimana organisme mengatasi tekanan lingkungan

sekitarnya untuk bertahan hidup. Organisme yang mampu beradaptasi terhadap

lingkungannya mampu untuk:

memperoleh air, udara dan nutrisi (makanan).

mengatasi kondisi fisik lingkungan seperti temperatur, cahaya dan panas.

mempertahankan hidup dari musuh alaminya.

bereproduksi.

merespon perubahan yang terjadi di sekitarnya.

Organisme yang mampu beradaptasi akan bertahan hidup, sedangkan yang tidak

mampu beradaptasi akan menghadapi kepunahan atau kelangkaan jenis.

Jenis adaptasi

Adaptasi terbagi atas tiga jenis yaitu:

Adaptasi Morfologi

adalah adaptasi yang meliputi bentuk tubuh. Adaptasi Morfologi dapat

dilihat dengan jelas. Sebagai contoh: paruh dan kaki burung berbeda sesuai

makanannya dan tempat untuk mencari makanannya.

Adaptasi Fisiologi

65

adalah adaptasi yang meliputi fungsi alat-alat tubuh. Adaptasi ini bisa

berupa enzim yang dihasilkan suatu organisme. Contoh: dihasilkannya

enzim selulase oleh hewan memamah biak.

Adaptasi Tingkah Laku

adalah adaptasi berupa perubahan tingkah laku. Misalnya: ikan paus yang

sesekali menyembul ke permukaan untuk mengambil udara, bunglon

merubah warna kulitnya menyerupai tempat yang dihinggapi.

Homeostasis merujuk pada ketahanan atau mekanisme pengaturan lingkungan

kesetimbangan dinamis dalam (badan organisme) yang konstan.

Terdapat 2 jenis keadaan konstan atau mantap dalam homeostasis, yaitu:

1. Sistem tertutup - Keseimbangan statis

o Di mana keadaan dalam yang tidak berubah seperti botol tertutup.

2. Sistem terbuka - Keseimbangan dinamik

o Di mana keadaan dalam yang konstan walaupun sistem ini terus

berubah contohnya seperti sebuah kolam di dasar air terjun.

Organisme mempunyai 2 lingkungan, yaitu:

1. Lingkungan luar yaitu lingkungan yang mengelilingi organisme secara

keseluruhan. Organisme akan hidup berkelompok dengan organisme-

organisme (biotik) dan objek-objek yang mati (abiotik).

2. Lingkungan dalam yaitu lingkungan dinamis dalam badan manusia yang

terdiri dari fluida yang mengelilingi komunitas sel-sel yang membentuk

badan.

66

Biotik ialah komponen hidup yang meliputi semua organisme hidup. Contoh

komponen biosis ialah:

Manusia

Tumbuhan

Hewan

Abiotik ialah komponen mati, antara lain:

Suhu

Nilai pH

Cahaya

Kelembapan

Topografi

Iklim

67

BAB III

PENUTUP

3.1 KESIMPULAN

Kehidupan merupakan ciri organisme yang menunjukkan semua atau sebagian

besar dari fenomena berikut, yaitu:

1. Homeostasis: Pengaturan kondisi internal untuk mempertahankan keadaan

konstan, misalnya, konsentrasi elektrolit atau mengeluarkan keringat untuk

menurunkan suhu.

2. Organisasi: Secara struktural terdiri dari satu atau lebih sel, yang

merupakan satuan dasar kehidupan.

3. Metabolisme: Transformasi energi dengan mengubah bahan kimia dan

energi menjadi komponen selular (anabolisme) dan mengurai bahan organik

(katabolisme). Makhluk hidup membutuhkan energi untuk mempertahankan

organisasi internal (homeostasis) dan untuk menghasilkan fenomena lain

yang terkait dengan kehidupan.

4. Pertumbuhan: Pemeliharaan tingkat yang lebih tinggi dari katabolisme dan

anabolisme. Organisme yang tumbuh bertambah dalam ukuran di semua

bagian-bagiannya, bukan hanya sekadar mengumpulkan materi.

5. Adaptasi: Kemampuan untuk berubah selama periode waktu dalam

menanggapi lingkungan. Kemampuan ini merupakan hal mendasar untuk

proses evolusi dan ditentukan oleh perwarisan watak organisme maupun

komposisi zat yang di-metabolisme, dan berbagai faktor eksternal.

68

6. Respon terhadap rangsangan: respon dapat dilakukan dalam berbagai

bentuk, dari kontraksi organisme uniseluler terhadap bahan kimia eksternal,

sampai dengan reaksi kompleks yang melibatkan semua indera organisme

multiseluler. Tanggapan sering dinyatakan dengan gerak, misalnya, daun

tanaman berbalik ke arah matahari (fototropisme) dan oleh kemotaksis.

7. Reproduksi: Kemampuan untuk menghasilkan organisme individu baru,

baik secara aseksual dari organisme orang tua tunggal, atau secara seksual

dari dua organisme induk.

DAFTAR PUSTAKA

69