Bahan Ajar KD 3.2 Enzim Dan Metabolisme
Bahan Ajar KD 3.2 Enzim Dan Metabolisme
Bahan Ajar KD 3.2 Enzim Dan Metabolisme
Standar Kompetensi
2. Memahami pentingnya metabolisme pada organisme
Kompetensi Dasar
2.1Mendeskripsikan fungsi enzim dalam proses metabolisme
2.2Mendeskripsikan proses katabolisme dan anabolisme karbohidrat
2.3Menjelaskan keterkaitan antara proses metabolisme karbohidrat, lemak dan protein
A. Metabolisme
Metabolisme (bahasa Yunani, metabole = berubah) adalah seluruh rangkaian reaksi
kimia yang terjadi di dalam sel-sel tubuh makhluk hidup. Metabolisme dapat digambarkan
sebagai peta yang rumit dari ribuan reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, tersusun sebagai
jalur-jalur metabolik yang berpotongan di sana-sini. Metabolisme secara keseluruhan
mengelola sumber daya materi dan energi bagi sel.
Proses metabolisme dibedakan menjadi dua macam, yaitu katabolisme dan anabolisme.
Katabolisme
Katabolisme merupakan reaksi penguraian senyawa-senyawa kompleks menjadi
senyawa-senyawa yang lebih sederhana dan menghasilkan energi. Salah satu jalur utama
katabolisme adalah respirasi sel, ketika glukosa dan bahan organik lain diuraikan menjadi
CO2 dan H2O serta membebaskan energi. Energi yang tersimpan dalam molekul organik
kemudian tersedia bagi sel untuk melakukan kerja.
Anabolisme
Anabolisme merupakan reaksi penyusunan dari senyawa-senyawa sederhana menjadi
senyawa yang lebih kompleks dan membutuhkan energi. Salah satu contoh anabolisme
adalah fotosintesis, sintesis protein, dan sintesis lemak.
Jalur katabolisme merupakan jalan “menuruni bukit” dalam peta metabolisme. Energi
yang dihasilkan dari reaksi katabolisme dapat disimpan dan kemudian digunakan untuk
menggerakkan reaksi “mendaki bukit” pada jalur anabolik melalui reaksi anabolisme.
Struktur enzim
Gambar 2.1 Perbandingan energi aktivasi (EA) pada reaksi tanpa enzim dan jika ada enzim
d. Enzim dapat digunakan berulang kali, karena enzim tidak ikut bereaksi. Namun, enzim
dapat rusak sehingga harus diganti.
e. Enzim diperlukan dalam jumlah sedikit.
f. Enzim hanya dapat menguraikan suatu senyawa atau hanya dapat menyusun senyawa.
Contohnya maltase yang mengubah maltosa menjadi glukosa.
Enzim memiliki sisi aktif yang berfungsi sebagai katalis. Enzim berbentuk tiga dimensi
dengan sisi aktif yang sangat spesifik, sehingga hanya molekul substrat tertentu yang dapat
diikat oleh enzim. Mula-mula enzim akan berikatan dengan substrat. Setelah terbentuk
produk, enzim akan terlepas kembali. Ada dua teori yang dapat menerangkan kerja enzim
terhadap substrat, yaitu teori gembok dengan anak kunci (lock and key theory) dan teori
kecocokan induksi (induced fit theory).
a. Teori Gembok dengan Anak Kunci (Lock and Key Theory). Menurut teori ini, bagian
sisi aktif enzim digambarkan mempunyai bentuk spesifik dan tidak fleksibel, sehingga
enzim hanya mengikat sisi substrat tertentu saja.
b. Teori Kecocokan Induksi (Induced Fit Theory). Menurut teori ini, digambarkan bagian
sisi aktif enzim bersifat fleksibel, sehingga dapat menyesuaikan dengan sisi substrat yang
ada.
2. Klasifikasi Enzim
Berdasarkan tempat kerjanya, enzim dibedakan menjadi dua macam, yaitu sebagai
berikut.
a. Enzim intraseluler adalah enzim yang bekerja di dalam sel, contohnya katalase dan
enzim glikogen sintase. Enzim katalase mampu menguraikan senyawa hidrogen
peroksida (H2O2) yang merupakan racun bagi sel-sel tubuh menjadi senyawa H2O dan
O2 yang dapat dimanfaatkan kembali oleh tubuh. Enzim glikogen sintase berfungsi
membentuk glikogen dari glukosa di dalam sel otot atau sel hati.
b. Enzim ekstraseluler adalah enzim yang bekerja di luar sel, contohnya enzim pepsin.
Enzim pepsin menguraikan bahan makanan di dalam rongga organ pencernaan
Berdasarkan tipe reaksi yang dikatalisis, enzim dibagi menjadi enam kelompok,
yaitu sebagai berikut.
a. Oksidoreduktase, mengatalisis reaksi oksidasi atau reduksi dari satu unsur.
Contohnya enzim dehidrogenase dan oksidase.
b. Transferase, membantu memindahkan molekul/gugus/ion dari suatu senyawa ke
senyawa yang lain. Contohnya enzim transaminase dan kinase.
c. Hidrolase, berfungsi membantu pembentukan produk dengan menggunakan air
(hidrolisis). Contohnya enzim lipase, amilase, dan peptidase.
d. Liase, memindahkan atau menambahkan ikatan karbon (C – C), ikatan oksigen
(C – O), ikatan nitrogen (C – N), atau ikatan lainnya dari substrat tanpa melalui
peristiwa hidrolisis. Contohnya enzim piruvat dekarboksilase dan enzim oksalat
dekarboksilase. (contoh enzim untuk ikatan nitrogen).
e. Isomerase, mengatalisis perubahan geometrik (rumus bangun) atau struktural (rumus
molekul) dalam satu molekul. Contohnya enzim fosfoglukoisomerase dan enzim
fosfogliseromutase.
f. Ligase/polimerase, mengatalisis penyatuan dua atau lebih molekul yang dikaitkan
dengan hidrolisis ATP. Contohnya enzim glutamin sintetase.
b. Faktor Dalam
1) Inhibitor (Zat Penghambat)
Inhibitor merupakan senyawa kimia yang bersifat menghambat kerja enzim. Ada
dua jenis inhibitor, yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor nonkompetitif.
Inhibitor kompetitif merupakan senyawa kimia yang menyerupai substrat yang
dapat bereaksi dengan sisi aktif enzim. Jika sisi aktif enzim sudah terisi oleh
inhibitor kompetitif, maka substrat tidak dapat berikatan dengan enzim.
Inhibitor nonkompetitif merupakan senyawa kimia yang menghambat kerja
enzim dengan cara melekat pada bagian selain sisi aktif, yang disebut sisi
alosterik. Akibatnya, bagian sisi aktif enzim sulit berikatan dengan substrat dan
enzim tidak dapat mengubah substrat menjadi produk.
2) Konsentrasi Substrat
Jumlah substrat yang berlebihan dapat mengakibatkan penurunan kerja enzim.
Untuk mengatasi hal demikian, biasanya sel akan menambah jumlah enzim dengan
cara menyintesis enzim.
C. Katabolisme dan Faktor-Faktor yang Memengaruhi Katabolisme dalam Tubuh
Makhluk Hidup
Jalur metabolik yang melepaskan simpanan energi dengan cara menguraikan molekul
kompleks disebut jalur katabolik. Jalur katabolik menghasilkan energi dengan cara
mengoksidasi bahan organik. Bahan organik di antaranya adalah karbohidrat, lemak (lipid),
dan protein. Proses katabolisme yang menghasilkan energi ini terjadi di dalam sel sehingga
disebut respirasi seluler.
Salah satu proses katabolisme, yaitu fermentasi, merupakan reaksi penguraian gula yang
terjadi tanpa menggunakan oksigen (respirasi anaerob). Akan tetapi, proses katabolisme
yang lebih dominan dan efisien adalah respirasi aerob yang menggunakan oksigen sebagai
reaktan bersama dengan bahan organik.
1. Respirasi Aerob
Reaksi pada respirasi aerob melibatkan penggunaan oksigen. Secara sederhana dapat
dituliskan sebagai berikut.
Contoh: C16H12O6 (Glukosa) + 6O2 → 6H2O + 6CO2 + Energi (ATP dan panas)
Reaksi kimia pada respirasi aerob dapat dibagi menjadi empat tahap, yaitu glikolisis,
dekarboksilasi oksidatif (reaksi transisi), siklus Krebs (siklus asam sitrat), dan reaksi
transpor elektron. Pembahasan selanjutnya akan dijabarkan tahap respirasi aerob pada
karbohidrat (glukosa)
a. Glikolisis
Glikolisis adalah reaksi pengubahan bahan organik (glukosa/gula berkarbon -6) menjadi
dua molekul asam piruvat (asam berkarbon -3). Reaksi glikolisis terjadi di sitosol (di luar
mitokondria).
Gambar 2.3 Reaksi glikolisis
Hasil akhir pada siklus Krebs adalah 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP, dan 4 CO2.
Dalam pembentukan ATP diperlukan enzim ATP sintase yang bekerja seperti pompa
ion. Sumber daya ATP sintase berasal dari perbedaan konsentrasi H+ pada sisi yang
berlawanan dari membran dalam mitokondria. Satu molekul NADH menghasilkan energi
sebesar 3 ATP, sedangkan FADH2 menghasilkan energi 1/3 lebih kecil atau sebesar 2 ATP,
karena FADH2 menambahkan elektronnya ke rantai transpor elektron pada tingkat yang lebih
rendah dari NADH.
Gambar 2.7 Gambaran umum respirasi seluler secara aerob
Perhitungan jumlah total ATP yang dihasilkan pada respirasi aerob dapat dijelaskan dalam
tabel, yaitu 38 ATP. Penguraian ATP menjadi ADP akan menghasilkan energi sebanyak 7,3
kkal. Oksidasi sempurna satu molekul gula dapat menghasilkan energi sebanyak 686 kkal.
73 x 8
Jadi, efisiensi respirasi aerob diperkirakan sebesar atau 40%. Energi sisanya hilang
686
sebagai panas untuk mempertahankan suhu tubuh (37oC).
Selain karbohidrat, bahan katabolisme untuk menghasilkan ATP dapat berupa lemak
(lipid) dan protein. Jumlah ATP yang dihasilkan dalam katabolisme setiap satu molekul
protein sama dengan karbohidrat yaitu 38 ATP. Sementara itu, setiap satu molekul lemak
(lipid) dapat menghasilkan jumlah ATP yang lebih besar dibandingkan karbohidrat dan
protein dengan jumlah karbon yang sama. Lemak (lipid) dapat berasal dari makanan maupun
dari jaringan lemak (lipid) yang tersimpan di bawah kulit. Lemak (lipid) dikatabolisme
menjadi gliserol dan asam lemak. Gliserol diubah menjadi PGAL (gliseraldehida fosfat),
kemudian masuk ke jalur respirasi glikolisis. Asam lemak diubah menjadi molekul-molekul
Asetil ko-A, kemudian masuk ke siklus Krebs.
Protein dihidrolisis menjadi asam amino yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar
setelah mengalami deaminasi (pelepasan nitrogen). Bahan yang tersisa kemudian masuk ke
jalur respirasi. Asam amino gliserin, serin, alanin dan sistein, masuk ke jalur reaksi transisi
setelah diubah menjadi asam piruvat. Asam amino fenilalanin, isoleusin, leusin, treonin, lisin,
triptofan, dan tirosin masuk ke siklus Krebs setelah diubah menjadi asetil ko-A. Asparagin
dan asam aspartat masuk ke siklus Krebs setelah diubah menjadi asam oksaloasetat.
Sementara itu, glutamin, glutamate, arginine, histidin, dan prolin masuk ke siklus Krebs
setelah diubah menjadi asam α-ketoglutarat.
Hasil fermentasi yang menghasilkan asam laktat yaitu 2 asam laktat dan 2 ATP.
Reaksi sederhana fermentasinya adalah sebagai berikut.
Penimbunan asam laktat pada sel otot mengakibatkan berkurangnya elastisitas otot
sehingga menimbulkan kelelahan dan nyeri. Namun, secara berangsur-angsur asam laktat
akan diangkut oleh darah menuju ke hati untuk diubah kembali menjadi asam piruvat.
Pada bagian grana, terdapat seluruh perangkat alat penangkap energi matahari.
Perangkat alat itu adalah ibarat antena penerima. Alat penerima tersebut berupa kumpulan
bermacam-macam zat pigmen. Pigmen adalah suatu zat yang berfungsi menangkap atau
memantulkan jenis sinar atau warna cahaya tertentu. Pigmen daun paling banyak adalah
klorofil. Sekelompok pigmen yang merupakan satu kesatuan alat penerima energi cahaya ini
disebut fotosistem. Ada dua fotosistem yang dibutuhkan untuk mendukung satu proses
fotosintesis, yaitu fotosistem I dan II. Komponen utama fotosistem adalah klorofil, khususnya
klorofil-a.
2) Fotosistem
Fotosistem tersusun atas suatu kompleks protein yang disebut kompleks pusat reaksi
yang dikelilingi oleh beberapa kompleks permanen cahaya. Kompleks pusat reaksi mencakup
pasangan khusus molekul klorofil a. Setiap kompleks permanen cahaya terdiri dari berbagai
molekul pigmen (mencakup klorofil a, klorofil b, dan karotenoid) yang terikat protein.
Kompleks permanen cahaya ini bertindak sebagai antena bagi kompleks pusat-reaksi. Klorofil
a dapat menyerap cahaya merah dan biru-ungu. Klorofil b dapat menyerap cahaya bru dan
jingga. Sementara itu, karotenoid menyerap cahaya biru-hijau.
Gambar 2. 11 Mekanisme pemanfaatan energi cahaya pada fotosistem
Klorofil a berperan langsung dalam reaksi terang fotosintesis (reaksi yang menggunakan
cahaya), kedudukannya di dalam fotosistem sebagai pusat reaksi, di mana terjadi reaksi
kimiawi pertama fotosintesis yang menggunakan cahaya. Dalam reaksi reduksi-oksidasi,
klorofil a yang menyerap cahaya akan mentransfer satu elektronnya ke akseptor elektron
primer. Selanjutnya, melalui siklus elektron, klorofil yang kehilangan satu elektron tersebut
akan menangkap elektron kembali sehingga klorofil menjadi normal. Fotosistem dapat
dibedakan menjadi dua jenis yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Klorofil a dalam fotosistem I
disebut P700 karena dapat menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm.
Klorofil a dalam fotosistem II disebut P680 karena dapat menyerap energi cahaya dengan
panjang gelombang 680 nm. Kedua fotosistem tersebut bekerja bersama-sama dalam reaksi
terang dengan menggunakan cahaya untuk menghasilkan ATP dan NADH.
Fotofosforilasi, yaitu pembentukan ATP dari ADP yang dikendalikan oleh cahaya.
Pembentukan ATP memerlukan energi yang berasal dari perpindahan elektron dari suatu
akseptor elektron ke akseptor lainnya. Reaksi fotofosforilasi dapat dituliskan sebagai
berikut.
ADP + Pi ATP
3) Konsentrasi CO2
Fotosintesis memerlukan jumlah CO2 yang cukup. Peningkatan kadar CO2 untuk
fotosintesis tumbuhan tidak berarti, jika pada lingkungannya sudah cukup kadar CO2. Kadar
CO2 yang terlalu tinggi akan mengganggu respirasi tumbuhan.
4) Suhu
Fotosintesis akan berlangsung dengan baik pada suhu optimum, yaitu 25 oC-39oC. Di
daerah yang memiliki empat musim, pada musim dingin air membeku menjadi salju sehingga
akar tumbuhan tidak mendapatkan air dan proses fotosintesis akan terhenti. Daun akan
berubah menjadi merah, kemudian cokelat, dan akhirnya gugur. Sementara itu, suhu
lingkungan yang terlalu panas mengakibatkan enzim tidak dapat bekerja sehingga akan
menghambat proses fotosintesis.
5) Ion Anorganik
Beberapa ion anorganik diperlukan oleh tumbuhan dalam pembentukan klorofil, antara
lain N, Cl,Fe, B, Mn, Zn, S, Cu, Mo, dan Mg. kekurangan unsur tersebut dapat
mengakibatkan klorosis pada daun.
6) Zat Inhibitor
Zat inhibitor adalah penghambat fotosintesis, antara lain SO2, hujan asam, dan zat
pembasmi tumbuhan liar (herbisida).
B) Kemosintesis
Tidak semua organisme autotrof dapat melakukan asimilasi C (karbon) menggunakan
cahaya sebagai sumber energi. Beberapa macam bakteri yang tidak mempunyai klorofil dapat
mengadakan asimilasi C dengan menggunakan energi yang berasal dari reaksi-reaksi kimia,
misalnya bakteri sulfur, bakteri nitrat, bakteri nitrit, bakteri besi dan lain-lain.Bakteri-bakteri
tersebut memperoleh energi dari hasil oksidasi senyawa-senyawa tertentu.
Pada bagan tampak jelas adanya keterkaitan antara metabolisme karbohidrat, lemak
dan protein. Hal lain yang dapat dijelaskan dari bagan tersebut adalah bahwa lemak yang ada
dalam tubuh kita tidak hanya berasal dari makanan yang mengandung lemak, tetapi juga dapat
juga berasal dari karbohidrat dan protein.
Telah dijelaskan bahwa oksidasi karbohidrat, lemak dan protein akan menghasilkan
energi. Dari ketiga jenis zat makanan tersebut, manakah yang menghasilkan energi paling
banyak? Dibandingkan dengan karbohidrat dan protein, lemak lebih banyak menghasilkan
energi ketika dioksidasi. Suatu contoh: satu molekul asam lemak dengan atom 6C (asam
heksanoat) yang dioksidasi secara sempurna dapat menghasilkan 44 ATP. Sementara itu,
glukosa yang juga mempunyai 6 atom C hanya menghasilkan 36 ATP. Mengapa demikian?
Asam lemak akan memasuki siklus Krebs setelah diubah menjadi asetil Co-A
melalui reaksi beta-oksida. Asam lemak dengan jumlah atom C = 2n, akan menghasilkan
sejumlah n asetil Co-A. Dengan demikian, asam heksanoat (6C) menghasilkan 3 molekul
asetil Co-A. Mula-mula, asam heksanoat yang teah teraktivasi (memerlukan 2 ATP) menjadi
asil Co-A akan memasuki mitokondria. Asil Co-A dalam metokondria mengalami beta-
oksidasi. Pada reaksi ini asil Co-A yang berasal dari asam heksanoat (C = 6) mengalami dua
kali siklus dan menghasilkan 3 asetil Co-A (C = 2). Siklus pertama menghasilkan 1 molekul
asetil Co-A, 1 FADH, 1 NADH dan butiril Co-A (4 atom C). Pada siklus 2 butiril Co-A
dioksidasi menjadi 2 molekul asetil Co-A dengan menghasilkan 1 FADH 2 dan 1 NADH.
Adapun jumlah ATP yang dihasilkan pada beta-oksida dapat dihitung sebagai berikut.
Oleh karena aktivasi asam heksoanat menjadi heksanoil Co-A memerlukan 2 ATP,
maka hasil bersih ATP = (10 – 2) ATP = 8 ATP. Selanjutnya, 3 molekul asetil Co-A akan
memasuki daur Krebs dan mengalami oksidasi sempurna menjadi CO 2 dan H2O. Pada
oksidasi 3 molekul asetil Co-A ini dihasilkan 3 x 12 ATP = 36 ATP. Jadi, oksidasi asam
lemak menghasilkan 44 ATP. Perhatikan skema berikut.
Hal ini juga menunjukkan bahwa makin panjang rantai karbon yang menyusun asam
lemak, energi yang dihasilkan makin besar. Misalnya pada asam palmitat yang mempunyai 15
atom C menghasilkan 129 ATP. Bukan hanya itu, senyawa lain hasil hidrolisis lemak yaitu
gliseraldehid dapat memasuki jalur glikolisis setelah diubah menjadi gliseraldehid fosfat
(PGAL). Selanjutnya PGAL akan diubah menjadi PEP. PEP agar dapat memasuki daur Krebs
harus diubah menjadi asetil Co-A. Dari reaksi ini pun (gliserol) dihasilkan cukup banyak
energi (36 ATP).