Tatap Muka 3 Struktur dan Fungsi Membran Sel
advertisement
26/29 September 2011 Tatap Muka 3: The Cell II III. Struktur dan Fungsi Membran Sel (Membrane Structure and Function) Diambil Dari Campbell et al (2009), Biology 8th Membran plasma merupakan tepi dari suatu kehidupan, batas yang memisahkan sel hidup dari sekelilingnya. Membran merupakan lapisan yang hanya memiliki ketebalan 8 nm dan bersifat selektif permeabel yaitu membran hanya dapat ditembus dengan lebih mudah oleh substansi tertentu. Peran membran lebih jauh sebagai pembatas organel yang mampu memberikan lingkungan berbeda dalam sel sehingga metabolisme yang berlawanan reaksi dapat terjadi dapat dipelajari pada bab selanjutnya. Pada Bab ini akan dibahas bagaimana membran sel mengendalikan lalu lintas substansi dengan merujuk pada lima konsep inti yang terdiri dari: 1. Cellular membrane are fluid mosaics of lipids and proteins 2. Membran structure results in selective permeability 3. Passive transport is diffusion of a substance across a membrane with no energy investment 4. Active transport uses energy to move solutes againts their gradients 5. Bulk transport across the plasma membrane occurs by exocytosis and endocytosis Setelah mempelajari Bab ini, mahasiswa diharapkan mampu memenuhi kompetensi yang dirancang dibawah ini: ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu mendeskripsikan struktur membran sel 2. Mahasiswa mampu membedakan protein membrane integral dari protein membrane peripheral 3. Mahasiswa mampu membedakan difusi terfasilitasi dari transport aktif 4. Mahasiswa mampu membedakan larutan hipertonik, dan hipotonik dari isotonic 5. Mahasiswa mampu mendefinisikan difusi 6. Mahasiswa mampu menerangkan pengaruh temperatur dan komposisi membran terhadap fluiditas membran 7. Mahasiswa mampu menerangkan bagaimana molekul besar ditransport melalui membrane ________________________________________________________________________ 1. Cellular membrane are fluid mosaics of lipids and proteins Lipid (fosfolipid) dan protein merupakan komponen utama dari membran walaupun karbohidrat juga merupakan komponen penting. Bagaimanakah penataan fosfolipid dan protein di dalam membran sel? Fluid mosaic model menjelaskan bahwa membran sel berbentuk cairan dan memiliki mosaik protein yang bervariasi dan menyisip atau menempel pada lapisan ganda (bilayer) fosfolipid (Figure 7.2 dan 7.3). 30 The Fluidity of Membranes Membran bukan merupakan lembaran statis dari molekul-molekul yang terkunci secara erat pada suatu tempat. Keutuhan sebuah membran dipertahankan oleh adanya interaksi hidrofobik (lebih lemah dari ikatan kovalen). Sebagian besar lipid dan beberapa jenis protein dalam membran dapat berpindah secara lateral (Figure 7.5a) (sangat jarang terjadi suatu molekul mampu berpindah secara transversal). Perpindahan secara lateral dari fosfolipid dalam membran terjadi dengan sangat cepat. Fosfolipid berpindah posisi selama 107 kali per detik (berarti dapat berpindah sekitar 2 um, seperti panjang bakteria, 31 dalam 1 detik). Protein membran berbentuk lebih besar dari pada lipid sehingga bergerak lebih lambat dan sebagian besar protein membran adalah imobile. Membran harus berbentuk cairan agar dapat berfungsi dengan baik (pada umumnya secair minyak salad). Jika membran membeku, permeabilitasnya berubah dan protein enzim pada membran menjadi tidak aktif. Komposisi lipid dalam membran sel dapat berubah sebagai bentuk penyesuaian terhadap perubahan cuaca. Sebagai contoh, pada tumbuhan yang toleran cuaca dingin, prosentasi fosfolipid tak jenuh meningkat pada saat musim gugur dimana temperatur menurun (suatu bentuk adaptasi yang melindungi membran dari bentuk padat). 32 Membrane Protein and Their Functions Membran memiliki sekumpulan protein yang tertanam pada cairan matriks lipid bilayer (Figure 7.7). Lebih dari 50 macam protein ditemukan pada membran sel darah merah. Fosfolipid memang merupakan materi membran tetapi proteinlah yang menentukan sebagian besar dari fungsi membran. Sel yang berbeda memiliki kelompok protein membran yang berlainan. Terdapat dua kelompok protein membran yaitu protein integral dan protein peripheral. Protein integral memasuki/menembus bagian hidrofobik dari lipid bilayer pada membran. Protein peripheral sama sekali tidak tertanam dalam lipid bilayer membran; hanya terikat secara lepas pada permukaan membran. 2. Membran structure results in selective permeability The Permeability of the Lipid Bilayer Molekul nonpolar seperti hidrokarbon, karbon dioksida dan oksigen adalah hidrofobik dan oleh karenanya dapat larut dalam lipid bilayer membran dan melewati membran dengan mudah tanpa bantuan dari protein membran. Namun demikian inti hidrofobik dari membran menghalangi lalu lintas ion dan molekul polar (bersifat hidrofilik). Molekul polar seperti glukosa dan gula yang lain melewati lipid bilayer dengan lambat demikian juga molekul air walaupun merupakan molekul polar yang sangat kecil. Transport Proteins 33 Membran sel adalah permeabel terhadap ion tertentu dan terhadap berbagai molekul polar. Molekul polar yang hidrofilik ini dapat menghindari kontak dengan lipid bilayer melalui transport proteins yang tersebar diseluruh membran. Sebagian dari protein transpot (saluran proteins) memiliki saluran hidrofilik yang dapat dilalui oleh molekul tertentu atau ion-ion untuk melewati membran. Sebagai contoh, berlalunya molekul air melewati membran pada sel-sel tertentu difasilitasi oleh saluran protein yang disebut aquaporin. Protein pembawa memegang molekul yang akan dipindahkan dan mengubah bentuknya sedemikian rupa sehingga dapat dibawa melewati membran. 3. Passive transport is diffusion of a substance across a membrane with no energy investment Molekul memiliki tipe energi yang disebut thermal motion (panas). Salah satu hasil dari thermal motion adalah difusi yaitu perpindahan molekul sedemikian rupa sehingga menyebar secara merata pada tempat-tempat yang kosong. Untuk memahami proses ini, bayangkanlah membran sintetik yang memisahkan air murni dari larutan berwarna. Anggaplah bahwa membran tersebut memiliki pori-pori mikroskopik dan bersifat permeable terhadap molekul zat warna (Figure 7.11a). Tiap-tiap molekul zat warna bergerak secara random, dan molekul tersebut bergerak menembus membran menuju sisi air murni. Molekul zat warna akan terus menyebar menembus membran hingga kedua jenis larutan tersebut mempunyai konsentrasi molekul zat warna yang sama. Ketika level tersebut tercapai maka akan terjadi keseimbangan dinamis dimana molekul zat warna menyeberangi memban dengan kecepatan serupa setiap detiknya dari dua arah berlawanan. Dalam kondisi tidak ada kekuatan lain, suatu substansi akan berdifusi dari kondisi yang memiliki konsentrasi tinggi menuju ke kondisi yang memiliki konsentrasi rendah atau dengan kata lain tiap-tiap substansi akan berdifusi menuju gradien konsentrasi yang lebih rendah. Difusi merupakan proses spontan yang tidak membutuhkan input energi. Ingatlah bahwa suatu substansi berdifusi atas konsentrasinya sendiri dan tidak dipengaruhi oleh konsentrasi substansi lain (Figure 7.11b). Banyak dari lalu lintas yang melewati/menembus membran sel terjadi melalui proses difusi. Jika suatu substansi memiliki konsentrasi lebih tinggi di suatu sisi membran maka akan ada kecenderungan bagi substansi tersebut untuk berdifusi melewati membran menuju konsentrasi lebih rendah (dengan asumsi membran bersifat permeable terhadap substansi tersebut). 34 Difusi suatu substansi yang menembus membran biologi disebut transport pasif karena sel tidak menggunakan energi dalam melakukan proses tersebut. Membran bersifat selektif permeable sehingga memberikan efek yang berlainan terhadap laju difusi pada molekul yang berlainan pula. Pada molekul air, aquaporin menyebabkan air berdifusi dengan cepat. Perpindahan air melalui membran plasma memberikan konsekuensi pada sel. Air berdifusi melewati membran dari lokasi yang memiliki zat terlarut rendah (konsentrasi air bebas lebih tinggi) menuju ke lokasi yang memiliki konsentrasi zat terlarut tinggi (konsentrasi air bebas lebih rendah). Air akan berdifusi hingga kedua lokasi yang dibatasi membran memiliki konsentrasi yang sama. Difusi air menembus membran selektif permeable disebut osmosis. Perpindahan air melewati membran sel dan keseimbangan air antara sel dan lingkungannya merupakan hal penting bagi organisme. Water Balance of Cells Without Walls Ketika mengamati tingkah laku sel dalam cairan dua hal yang perlu diperhatikan adalah konsentrasi zat terlarut dan permebilitas membran. Kedua faktor ini penting dalam konsep tonicity yaitu kapasitas suatu larutan yang menyebabkan suatu sel memperoleh atau kehilangan air. Jika sel hewan direndam dalam suatu larutan isotonik terhadap sel, maka tidak akan terjadi perpindahan melewati membran plasma. Air mengalir melewati membran plasma dari kedua arah (luar dan dalam sel) dengan laju yang sama. Pada lingkungan isotonik volume sel hewan tidak berubah (Figure 7.13a). Jika sel dipindahkan ke larutan hipertonik terhadap sel, maka sel akan kehilangan air (karena berpindah keluar sel), sel mengkerut dan mati. Hal ini dapat dilihat pada air yang meningkat salinitasnya (misalnya danau menjadi lebih asin) dan menyebabkan organisme yang tinggal di danau tersebut mati. Air danau menjadi hipertonik terhadap sel-sel organisme, sel-sel mengkerut dan 35 organisme mati. Mengabsorsi air terlalu banyak juga berbahaya bagi sel hewan sebagaimana bahayanya terhadap kehilangan air. Jika sel hewan diletakkan pada larutan hipotonik terhadap sel air akan memasuki sel hewan lebih cepat dari pada air yang meninggalkan sel. Sel kemudian akan membengkak dan lisis seperti balon yang terlalu banyak diisi air. Hewan yang hidup di lingkungan hipertonik atau hipotonik terhadap sel hewan tersebut harus memiliki adaptasi osmoregulasi, untuk mengendalikan keseimbangan air. Sebagai contoh, Paramaecium hidup di air yang hipotonik terhadap selnya memiliki membran plasma yang permeabilitasnya terhadap air sangat rendah (memperlambat masuknya air ke dalam sel). Paramaecium juga memiliki vakuola kontraktil yang berfungsi memompa air keluar dari sel dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan air yang masuk melalui osmosis (Figure 7.14). Water Balance in Cells with Walls Sel tanaman, prokariot dan fungi memiliki dinding. Jika sel tersebut terendam dalam larutan hipotonik terhadap sel, dinding selnya akan membantu menjaga keseimbangan air. Sel tanaman akan membengkak jika air memasuki sel secara osmosis (Figure7.13). Namun demikian, dinding yang tidak elastik akan membesar tetapi kemudian melakukan tekanan kembali terhadap sel dan mampu melawan penyerapan air lebih jauh. Pada posisi ini sel dikatakan turgid (sangat padat/kaku) yang merupakan tanda bahwa sel dalam kondisi sehat. Jika lingkungan dari sel tumbuhan isotonik maka tidak ada kecenderungan bagi air untuk memasuki sel dan sel menjadi flaccid. Jika sel berada pada lingkungan hipertonik, sel akan kehilangan banyak air, mengkerut, membran plasma terlepas dari dinding. Fenomena ini disebut plasmolisis (menyebabkan tumbuhan layu dan mati). Bakteria dan fungi yang memiliki dinding sel juga mengalami plasmolisis pada lingkungan hipertonik. 36 4. Active transport uses energy to move solutes againts their gradients The need of Energy in Active Transport Disebut transport aktif sebab didalam memindahkan molekul melewati membran plasma melawan gradien (dari sisi yang kurang ke sisi yang lebih terkonsentrasi) sel menggunakan energi. Seluruh protein transport yang memindahkan zat terlarut melawan gradien adalah protein pembawa (carrier protein). Mengapa demikian? ATP menyediakan energi bagi membran sel untul melakukan transport aktif. Salah satu cara ATP memberikan energi adalah dengan memindahkan gugus fosfat langsung kepada protein transpot. Hal ini menyebabkan protein mengubah bentuknya dan memindahkan zat terlarut yang terikat protein melewati membran plasma. Salah satu contoh adalah pemindahan Na dan K melewati membran sel hewan (Figure 7.16). 37 38 5. Bulk transport across the plasma membrane occurs by exocytosis and endocytosis Molekul air dan molekul dari zat terlarut yang kecil keluar masuk membran plasma dengan cara difusi atau melalui protein transport. Molekul besar pada umumnya melewati membran dalam bentuk masa melalui mekanisme yang melibatkan pengepakan molekul dalam suatu vesikel. Sebagaimana transport aktif proses ini juga membutuhkan energi. Exocytosis Sel mensekresi molekul biologi tertentu dengan cara menggabungkan vesikel dengan membran plasma. Cara ini disebut dengan eksositosis. Vesikel transpot yang berasal dari badan Golgi bergerak sepanjang mikrotubula sitoskeleton menuju membran plasma. Ketika membran vesikel dan membran plasma bersentuhan maka molekul lipid dari kedua bilayer mengatur diri sedemikian rupa sehingga dua membran bergabung. Isi dalam vesikel kemudian dikeluarkan dari sel, dan membran vesikel menjadi bagian dari membran plasma. Banyak dari sel sekresi menggunakan proses eksositosis untuk mengeluarkan produknya dari sel. Sebagai contoh, sel-sel pankreas yang menghasilkan insulin 39 mensekresi insulin tersebut ke tubuh melalui eksositosis. Contoh lain adalah neuron (sel saraf) yang menggunakan eksositosis untuk melepaskan neurotransmiter yang menghantarkan signal ke neuron lain atau ke sel otot. Ketika sel tanaman membentuk dinding sel, eksositosis membawa karbohidrat dan protein dari vesikel badan Golgi menuju luar sel. Endocytosis Pada endositosis, sel mengambil molekul biologi dengan membentuk vesikel baru dari membran plasma. Area kecil pada membran plasma melekuk kedalam sel untuk membentuk kantong. Lekukan menjadi semakin dalam dan akhirnya terlepas dari membran membentuk vesikel yang berisi materi yang berasal dari luar sel. Terdapat tiga jenis endositosis yaitu pagositosis (“cellular eating”), pinositosis (“cellular drinking”), dan receptor-mediated endocytosis (Figure 7.20). 40 RINGKASAN Protein integral tertanam dalam lipid bilayers; protein periferal menempel pada bagian permukaan. Protein membran berfungsi dalam transport, aktifitas enzim, pengenalan antar sel, penggabungan antar sel, pelekatan pada sitoskeleton, dan ECM Gula berantai pendek melekat pada protein dan lipid membran sel bagian luar, berinteraksi dengan molekul permukaan sel lain dalam pengenalan antar sel Sel harus melakukan pertukaran molekul dan ion dengan lingkungannya dan proses ini dikendaloikan oleh membran plasma Difusi merupakan pergerakan spontan dari suatu substansi menuju gradien konsentrasinya sendiri yang lebih rendah Air mengalir menembus membran dari sisi yang memiliki konsentrasi zat terlarut rendah (hipotonik) menuju sisi yang memiliki konsentrasi zat terlarut tinggi (hipertonik) Protein membran tertentu menggunakan energi, biasanyadalam bentuk ATP untuk melakukan kerja dalam transport aktif Dalam exositosis, vesikel transport berpindah menuju membran plasma, bergabung, kemudian melepaskan isinya Dalam endositosis, molekul memasuki sel dalam vesikel yang terbentuk dari membran plasma QUIZ 1. . Membran biologi memiliki struktur a. Permeabel b. Lipid bilayer c. Mozaik lipid dan protein dinamis d. Model mozaik cair 2. Transpot sejumlah besar molekul ke dalam sel berlangsung melalui a. Transpot aktif b. Transpot pasif c. Exocitosis d. Endositosis 3. Pernyataan di bawah ini merupakan beberapa fungsi dari membran plasma sel, kecuali a. Sebagai membran transport b. Melakukan pengenalan sel lain c. Melakukan seleksi terhadap keluar masuknya molekul dalam sel d. Melakukan transformasi 4. Perpindahan molekul pada sel di bawah ini dilakukan melalui transport pasif, kecuali a. Osmosis b. Difusi c. Difusi yang terfasilitasi d. Transport ion menuju gradien yang lebih tinggi 5. Proses keluarnya substansi secara masal dari dalam sel menuju keluar dari sel dilakukan dengan a. Transpot pasif b. Eksositosis c. Endositosis d. Phagositosis 41 IV. Metabolisme (An Introduction to Metabolism) Diambil Dari Campbell et al (2009), Biology 8th Sebuah sel hidup merupakan miniatur pabrik kimia dimana ribuan reaksi berlangsung dalam skala mikroskopis. Komponen gula dapat diuraikan dan jika dibutuhkan dapat disusun kembali menjadi komponen berbeda, seperti asam amino. Protein dapat dibongkar menjadi asam amino yang dapat diuraikan lebih jauh dan disusun kembali menjadi komponen lain seperti gula. Molekul sederhana disintesis menjadi polimer yang dapat pula dihidrolisis sesuai kebutuhan sel. Pada organisme multiseluler, banyak sel yang mengeksport produk kimiawinya yang digunakan oleh bagian lain organisme. Suatu proses yang dikenal sebagai respirasi sel mengendalikan sistem sel dengan cara mengekstrak energi yang tersimpan dalam gula dan bahan bakar lain. Sel menggunakan energi tersebut untuk melakukan kerja seperti memindahkan zat terlarut melalui membran plasma (diuraikan pada Bab III). Dalam bab ini mahasiswa akan mempelajari konsep metabolisme yang dapat membantu memahami bagaimana aliran materi dan energi diproses dan bagaimana aliran diatur. Konsep kunci yang diuraikan meliputi: 1. An organism’s metabolism transforms matter and energy, subject to the law of thermodynamics 2. Enzymes speed up metabolic reactions by lowering energy barriers 3. Regulation of enzyme activity helps control metabolism Setelah menyelesaikan Bab IV ini mahasiswa diharapkan: ________________________________________________________________________ 1. 2. 3. 4. Mahasiswa mampu membedakan katabolisme dari anabolisme Mahasiswa mampu membedakan energi kinetik dari energi potensial Mahasiswa mampu membedakan reaksi exergonik dari reaksi endergonik Mahasiswa mampu menerangkan bagaimana sel mendapatkan energy untuk melakukan kerja 5. Mahasiswa mampu mendeskripsikan mekanisme penurunan energi aktifasi oleh enzim ________________________________________________________________________ 1. An organism’s metabolism transforms matter and energy, subject to the law of thermodynamics Organization of the Chemistry of Life into Metabolic Pathway Suatu jalur metabolisme berawal dari satu molekul spesifik yang kemudian diubah dalam suatu rangkaian reaksi tertentu dan menghasilkan suatu produk. Setiap langkah dalam reaksi dikatalisis oleh enzim yang spesifik pula (lihat gambar dibawah ini). 42 Jalur metabolisme yang melepaskan energi dengan cara memecah molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana disebut jalur katabolisme. Jalur katabolisme utama adalah respirasi dimana glukosa dipecah menjadi bahan bakar organik dengan bantuan oksigen menjadi karbon dioksida dan air. Energi yang tersimpan di dalam molekul organik menjadi tersedia bagi sel untuk melakukan kerja, seperti pergerakan cilia atau transport membran. Jalur anabolisme menggunakan energi untuk menyusun molekul komplek dari molekul-molekul sederhana. Apakah contohnya? Form of Energy Energi adalah kapasitas untuk melakukan perubahan (kerja). Dengan kata lain energi adalah kemampuan untuk menata kembali suatu koleksi materi. Energi ada dalam bentuk yang bervariasi, dan hidup bergantung pada kemampuan sel dalam mentransformasikan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Energi dapat diasosiasikan dengan pergerakan materi; energi ini disebut energi kinetik. Panas atau energi thermal adalah energi kinetik yang berhubungan dengan perpindahan atom atau molekul secara random. Cahaya juga merupakan energi yang dapat digunakan untuk melakukan kerja seperti pada fotosintesis tumbuhan hijau. Suatu obyek yang tidak bergerak dapat pula meyimpan energi. Energi yang tidak berasosiasi dengan gerak disebut energi potensial; yaitu energi yang dimiliki oleh benda karena lokasi atau struktur benda tersebut. Sebagai contoh, air dalam bendungan memiliki energi karena ketinggiannya di atas ketinggian permukaan laut. Molekulmolekul memiliki energi karena struktur dari atom-atomnya. Energi kimia adalah istilah yang digunakan oleh para biolog dan mengacu pada pengertian energi potensial tersedia yang dapat dilepaskan dalam suatu reaksi kimia. Jalur katabolisme melepaskan energi dengan cara memecah molekul kompleks. Para biolog mengatakan bahwa molekul kompleks tersebut (glukosa) memiliki energi kimia yang tinggi. The Laws of Energy Transformation The First law of Thermodynamics Menurut hukum pertama termodinamika energi di alam raya adalah konstan. Energi dapat ditransfer dan ditransformasikan tetapi energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Cheetah pada Figure 8.3a mengkonverikan energi kimia molekul organik dalam makanannya menjadi energi kinetik dan bentuk energi lain untuk melakukan proses-proses biologi. Apa yang terjadi dengan energi sesudah digunakan untuk melakukan kerja? 43 The second law of Thermodynamics Dalam setiap transfer energi sebagian dari energi menjadi energi yang tidak dapat digunakan. Pada sebagian besar transformasi energi, sebagian dari energi diubah menjadi panas; dan hanya sebagian dari energi kimia pada makanan yang ditransformasikan dalam bentuk gerak (Figure 8.3b). Di dalam proses reaksi kimia, perubahan energi menjadi panas pada sel hidup tidak dapat dihindari. Suatu sistem dapat menggunakan/memanfaatkan panas ini jika terjadi perbedaan temperatur sedemikian rupa sehingga menghasilkan pergerakan panas dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin. Jika temperatur seragam seperti temperatur di dalam sel hidup, maka panas yang dihasilkan dari reaksi kimia hanya digunakan untuk menghangatkan organisme. Konsekuensi logis dari hilangnya energi selama transfer energi adalah bahwa setiap transfer energi menjadikan alam raya lebih tidak teratur (disordered). Para ilmuwan menggunakan istilah entropi untuk menghitung kuantitas disorder (ketidakteraturan). Hukum kedua termodinamika berbunyi setiap transfer energi meningkatkan entropi alam raya. Cheetah pada Figure 8.3b mengubah energi kimia menjadi energi kinetik. Hal ini akan meningkatkan disorder terhadap lingkungan sekelilingnya dengan menghasilkan/melepaskan panas dan molekul kecil karbon dioksida (pada proses pemecahan molekul pada makanan). Biolgical Order and Disorder Mahluk hidup meningkatkan entropi lingkungan sebagimana disebutkan pada hukum kedua termodinamika. Sel membentuk struktur yang sangat teratur dari materi yang memiliki struktur kurang teratur. Sebagai contoh, asam amino diatur dalam suatu struktur dan urutan tertentu untuk membentuk rantai polipeptida. Pada tingkat organisme, Figure 8.4 menunjukkan anatomi yang simetri dari akar tanaman. Akar tanaman ini dibentuk melalui proses biologi dari materi yang lebih sederhana. Organisme juga mengambil energi dan materi teratur dari lingkungan sekitarnya dan menggantinya dengan materi yang tidak teratur. Sebagai contoh hewan mengambil starch (pati), protein 44 dan molekul komplek lain dari makanan yang dimakannya. Pada proses katabolisme, molekul tersebut dipecah dan hewan melepaskan molekul air dan karbondisoksida (suatu molekul yang memiliki energi kimia lebih kecil dari pada molekul pada makanan). Exergonic and Endergomic Reactions in Metabolisms Eksergonik adalah reaksi kimia yang melepaskan energi bebas (Figure 8.6a). Reaksi eksergonik terjadi spontan secara lambat atau secara cepat. Reaksi endergonik adalah reaksi kimia yang mengabsorsi energi bebas yang terdapat disekelilingnya (Figure 8.6b). Reaksi endergonik bukanlah reaksi spontan. Jika suatu proses kimia adalah eksergonik (melepaskan energi) maka proses kimia yang terjadi sebaliknya haruslah endergonik yang menggunakan energi. Proses yang berlawanan tidaklah mungkin keduaduanya melepaskan energi atau menyerap energi. 45 2. Enzymes speed up metabolic reactions by lowering energy barriers Reaksi kimia yang terjadi secara spontan dapat berlangsung sangat lama. Sebagai contoh, walaupun hidrolisis sukrose menjadi glukosa dan fruktose terjadi secara spontan dengan melepas energi, suatu larutan gula akan melarutkan gula dalam waktu tahunan pada temperatur ruangan. Tetapi jika ditambahkan enzim sukrase pada larutan tersebut, maka sukrosa akan terhidrolisa dalam hitungan detik (Figure 8.13). Enzim adalah makromolekul yang bertindak sebagai katalis yaitu suatu agen kimiawi yang mempercepat reaksi tanpa ikut bereaksi. 46 The Activation Energy Barrier Setiap reaksi kimia antara molekul-molekul melibatkan pelepasan dan pembentukan ikatan. Sebagai contoh, hidrolisis sukrose melibatkan pemisahan ikatan antara glukose dan fruktose dan satu ikatan molekul air kemudian membentuk dua ikatan baru (Figure 8.13). Perubahan satu bentuk molekul menjadi molekul yang lain melibatkan perubahan molekul menjadi molekul yang tidak stabil sebelum proses berikutnya berlangsung. Untuk meraih kondisi ini molekul mengabsorbsi energi dari sekelilingnya. Ketika ikatan baru dari molekul terbentuk, energi dilepaskan dalam bentuk panas dan molekul menjadi stabil kembali dengan energi potensial yang lebih rendah. Energi awal yang digunakan untuk memulai reaksi disebut energi aktifasi (disingkat EA). EA adalah sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mendorong reaktan agar melampaui barier energi sehingga sebagian reaksi dapat dimulai (lihat Figure 8.14). EA pada umumnya berada dalam bentuk panas yang diabsorsi oleh molekul reaktan dari sekelilingnya. Ikatan dari reaktan akan terlepas hanya jika molekul mengabsorbsi cukup energi untuk menjadikan molekul tidak stabil dalam memasuki kondisi transisi. Pada umumnya, EA yang dibutuhkan sangat tinggi sehingga kondisi transisi sangat jarang tercapai dan reaksi tidak terjadi sama sekali. Dalam hal ini reaksi akan terjadi jika reaktan dipanaskan. Sebagai contoh, reaksi dari gasoline (bensin) dan oksigen adalah eksergonik dan akan terjadi spontan, tetapi energi dibutuhkan oleh molekul tersebut untuk mencapai transisi dan bereaksi. 47 How Enzymes Lower the EA Barrier Protein, DNA dan molekul kompleks lain dari sel memiliki energi bebas yang tinggi dan memiliki potensi menguraikan secara spontan. Molekul tersebut bertahan tidak melakukan reaksi karena pengaruh temperatur di dalam sel (beberapa molekul mampu melampaui EA). Panas mempercepat reaksi karena reaktan mampu mencapai transisi lebih cepat namum panas tinggi dapat mendenaturasi protein dan membunuh sel. Panas juga mempercepat semua reaksi di dalam sel (tidak selektif) sehingga akan membahayakan sel. Organisme menggunakan enzim (bukan panas) sebagai katalis. Enzim mengkatalis suatu reaksi dengan cara merendahkan barier EA (Figure 8.15), menjadikan molekul reaktan mengabsorpsi energi yang cukup untuk mencapai transisi pada temperatur sedang. Enzim tidak mampu merubah reaksi endergonik menjadi eksergonik. Karena enzim sangat spesifik untuk reaksi yang dikatalisis, enzim menentukan proses kimiawi dalam sel dalam waktu tertentu. 48 RINGKASAN Metabolisme adalah reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam organisme dengan bantuan enzim. Jalur reaksi tersebut dapat katabolik struktur (memecah molekul dan melepaskan energi) atau anabolik (membentuk molekul dan membutuhkan energi) Energi adalah suatu kapasitas untuk menyebabkan terjadinya perubahan; beberapa bentuk energi melakukan kerja dengan cara memindahkan materi. Energi kinetik berasosiasi dengan pergerakan. Energi potensial berhubungan dengan lokasi atau struktur materi dan meliputi energi kimia yang dimiliki oleh molekul karena strukturnya Hukum termodinamika I menyebutkan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat ditransfer atau ditransformasikan. Hukum kedua menyatakan bahwa perubahan spontan (yang tidak membutuhkan input energi dari luar) meningkatkan entropi (disorder) alam semesta Di dalam reaksi kimia, energi yang dibutuhkan untuk memecahkan ikatan dalam reaktan disebut energi aktifasi (EA) 49 QUIZ 1. Perubahan bentuk energi dari energi kimia dalam makanan menjadi energi untuk melakukan gerak merupakan contoh dari a. Hukum termodinamika II b. Hukum termodinamikan I dan II c. Hukum termodinamika I d. Hukum konversi energi e. Hukum transformasi energi 2. Bentuk energi apakah yang dimiliki oleh buah jeruk masak yang terletak di meja makan Anda? a. Energi potensial bersifat fisik b. Energi kinetik bersifat fisik c. Energi potensial dan kinetik d. Energi potensial bersifat kimiawi e. Energi kinetik yang bersifat kimiawi 3. Mengapa enzim hanya bekerja pada substrat tertentu saja? a. Karena hanya substrat tertentu saja yang mampu berikatan dengan sisi aktif enzim b. Karena sisi aktif enzim saja yang mampu berubah bentuk sesuai dengan substrat c. Karena hanya enzim tertentu saja yang bekerja pada substrat tertentu untuk menghasilkan produk d. Karena hanya substrat tertentu saja yang mampu bekerja dalam enzim tertentu sehingga menghasilkan produk baru e. Karena sisi aktif enzim mampu menurunkan barier energi aktifasi 50
