Program pascasarjana pendidikan biologi

TEORI PEMBENTUKAN ATP, KAITANNYA DENGAN PERALIHAN ASAM-BASA
Laurencius Sihotang
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Semua kehidupan di bumi ini bergantung kepada fotosintesis baik langsung maupun
tidak langsung. Fotosisntesis menyediakan energi bagi makhluk hidup lain dan
menghasilkan oksigen dalam atmosfer yang penting bagi semua bentuk kehidupan aerobik.
Manusia juga bergantung pada fotosintesis untuk memperoleh energi dan oksigen yang
digunakan pada proses respirasi. Kemampuan makhluk hidup yang luar biasa dalam
menangkap energi cahaya dan menggunakannya sebagai penggerak sintesis senyawasenyawa berasal dari organisasi struktural dalam sel.
Makhluk hidup autotrof membuat molekul organik dari CO2 dan senyawa mentah
anorganik lain dari lingkungan. Pada organisme berfotosintesis terdapat kloroplas, dan
proses fotosintesis dibantu enzim-enzim fotosintetik serta molekul-molekul lain yang
memungkinkannya terlaksanannya reaksi kimia yang dibutuhka dengan efisien. Kloroplas
memecah air menjadi hidrogen dan oksigen bukan dari CO2.
Fotosintesis bukanlah reaksi tunggal, melaikan dua proses yang masing-masing
banyak langkah, yaitu reaksi terang dan siklus Calvin. Reaksi terang merupakan penggerak
bagi reaksi pengikatan CO2 dari udara. Reaksi ini melibatkan beberapa kompleks protein
dari membran tilakoid yang terdiri dari sistem cahaya (fotosistem I dan II), sistem pembawa
elektron, dan komplek protein pembentuk ATP (enzim ATP sintase). Reaksi terang
mengubah energi cahaya menjadi energi kimia, juga menghasilkan oksigen dan mengubah
ADP dan NADP+ menjadi energi pembawa ATP dan NADPH. Siklus calvin merupakan
lanjutan dari reaksi terang dalam fotosintesis. Bahan siklus calvin adalah ATP dan NADPH,
yang dihasilkan dari reaksi terang, dan CO2, yang berasal dari udara bebas. Siklus calvin ini,
akan menghasilkan glukosa (C6H12O6), yang sangat diperlukan pada reaksi katabolisme.
Adenosin trifosfat (ATP) adalah molekul yang berfungsi sebagai sumber energi
universal untuk reaksi seluler. ATP terbentuk dari ADP dan Pi dengan suatu reaksi
phosforilasi yang dirangkaikan dengan proses oksidasi molekul penghasil energi.
Selanjutnay ATP yang terbentuk ini dialirkan ke proses reaksi yang membutuhkan energi
dan dihidrolisis menjadi ADP dan phosfat anorganik (Pi).
Menurut Arrhenius, asam adalah zat yang dalam air akan melepaskan ion H+. Jadi,
pembawa sifat asam adalah ion H+ (ion hidrogen), sehingga rumus kimia asam selalu
mengandung atom hidrogen. Ion adalah atom atau sekelompok atom yang bermuatan
listrik. Kation adalah ion yang bermuatan listrik positif. Adapun anion adalah ion yang
bermuatan listrik negatif. Basa adalah suatu senyawa yang jika dilarutkan dalam air
(larutan) dapat melepaskan ion hidroksida (OH-). Oleh karena itu, semua rumus kimia basa
umumnya mengandung gugus OH.
Larutan dikatakan bersifat netral jika pH = 7, larutan bersifat asam jika pH < 7, dan
larutan bersifat basa jika pH > 7.
Sifat Asam
1. Senyawa asam bersifat korosif
2. Sebagian besar reaksi dengan logam menghasilkan H2
3. Senyawa asam memiliki rasa asam
4. Dapat mengubah warna zat yang dimiliki oleh zat lain (dapat dijadikan indikator
asam atau basa)
5. Menghasilkan ion H+ dalam air
Sifat Basa
1. Senyawa basa bersifat merusak kulit (kaustik ).
2. Terasa licin di tangan, seperti sabun.
3. Senyawa basa terasa pahit.
4. Dapat mengubah warna zat lain. (warna yang dihasilkan berbeda dengan asam)
5. Menghasilkan ion OH – dalam air.
Jumlah ion H+ dalam air digunakan untuk menentukan sifat derajat keasaman atau
kebasaan suatu zat. Semakin zat tersebut memiliki keasaman tinggi, semakin banyak ion H+
di dalam air. Sedangkan semakin tinggi kebasaan zat tersebut, semakin banyak ion OH–
dalam air.
B. RUMUSAN MASALAH
Dari uraian latarbelakang diatas, maka rumusan masalah yang akan dibahas dalam
makalah ini adalah hubungan perubahan pH dalam proses pembentukan ATP dalam
fotosintesis.
BAB II
PEMBAHASAN
Ide bahwa perbedaan pH dapat menyediakan energi untuk sintesis ATP dalam
kloroplas, mitokondria, dan bakteri diusulkan pertama kali oleh Peter Mitchell di Inggris
tahun 1961. Teori Mitchell disebut toeri khemiosmotik yaitu bahwa transfer elektron
terjadi dalam mode vectorial melintasi membran biologis. Bukti langsung dari teori ini
pertama didapatkan oleh peneliti fotosintesis G. Hind dan Andre Jagendorf pada
Universitas Cornell pada tahun 1963.
Gambar 1. Mekanisme pengangkutan ion H+ dari lumen ke stroma oleh ATP sintase.
Sebagaimana elektron ditransfer melalui serangkaian pembawa pada membran,
proton juga diangkut, dan menghasilkan perbedaan pH antara sisi eksterior dan interior
membran sel. Karena membran adalah lapisan ganda lipid yang impermeabel, setelah
transfer proton yang melintasi membran dapat disimpan. Karena proton bermuatan,
transfer mengarah ke bagian membran yang berbeda potensialnya. Jumlah dari kedua efek
potensial tersebut digunakan untuk menyediakan energi dalam sintesis ATP. Hipotesis ini
memberikan penjelasan alami terhadap sejumlah hasil pengamatan eksperimen. Sebagai
contoh, diketahui bahwa suatu senyawa yang disebut uncouplers akan dapat menghambat
sintesis ATP dalam sistem. Senyawa ini merupakan asam lemah lipofilik seperti
dinitrophenol.
Gambar 2. Mekanisme pengikatan ADP dan Pi untuk pembentukan ATP akibat
perpindahan ion H+
Pemecahan molekul air yang melepaskan ion H+ dan O2 terjadi pada saat fotosistem
II. Untuk menghasilkan satu molekul oksigen dibutuhkan dua molekul air, dengan demikian
akan dihasilkan empat ion H+. Semakin banyak oksigen yang dibentuk, maka semakin tinggi
juga konsentrasi ion H+, yang menyebabkan terjadinya perubahan pH. Sebagian ion H+
digunakan dalam mereduksi plastokuinon, sebagian akan dipindahkan dari lumen ke
stroma oleh ATP sintase. Pergerakan H+ melalui ATP sintase menyebabkan perubahan
struktur pada beberapa polipeptida sedemikian rupa sehingga dapat mengikat ADP dan Pi
secara kuat, yang memungkinkannya terjadinya reaksi pembentuka ATP dan H2O.
Pembentukan ATP dari ADP dan Pi sangat tidak menguntungkan jika dilihat dari
hukum termodinamika. ATP terbentuk di stroma dan pengaliran ion H + dari lumen tilakoid
ke stroma. Dalam pembentukan ATP mutlak diperlukan ion H+, yang diperoleh dari oksidasi
H2O dan POH2. Oksidasi H2O dan POH2 menyebabkan kosesntrasi ion H+ pada lumen
meningkat sekitar 1000 kali yang mengakibatkan peningkatan pH 4 jika dibandingkan
dengan pada stroma yang kadar pH 8 pada saat fotosintesis berlangsung. Karena tilakoid
sangat tidak permiabel terhadap ion H+ mengakibatkan terjadinya perbedaan energi
potensial kimia yang kuat untuk mendorong terjadinya fotofosforilasi.
Ide bahwa perbedaan pH dapat menyediakan energi untuk sintesis ATP dalam
kloroplas, mitokondria, dan bakteri diusulkan pertama kali oleh Peter Mitchell di Inggris
tahun 1961. Teori Mitchell disebut toeri khemiosmotik. Bukti langsung dari teori ini
pertama didapatkan oleh peneliti fotosintesis G. Hind dan Andre Jagendorf pada
Universitas Cornell pada tahun 1963.
Gambar 2. Pembentukan ATP dalam percobaan Jagendorf dan kawan-kawan.
Jagendorf mampu menciptakan gradien pH buatan melintasi membran tilakoid
kloroplas terisolasi . Dalam rangka untuk mencapai hal ini pertama direndam kloroplas
terisolasi dalam pH 4 penyangga selama beberapa jam . Kloroplas ini kemudian dengan
cepat dicampur dengan pH 8 buffer yang mengandung ADP dan Pi. Diperoleh hasil dimana
pH stroma tiba-tiba meningkat menjadi 8 , sedangkan pH dari ruang tilakoid tetap pada 4.
Semburan sintesis ATP kemudian disertai hilangnya gradien pH melintasi membran tilakoid.
Dengan demikian , membran tilakoid membuat ATP sebagai proton hidrogen berdifusi dari
kompartemen tilakoid kembali ke stroma melalui kompleks ATP sintase, yang kepalanya
katalitik menggunakan kekuatan proton - motif untuk mensintesis ATP di sisi stroma
membran , di mana ia digunakan untuk membantu mendorong sintesis gula selama siklus
Calvin ( reaksi independen cahaya).
Teori khemiosmotik juga menjelaskan bagaimana uncoupler bekerja pada proses
fotofosforilasi. Diberi nama uncoupler karena perannya menghilangkan keterkaitan antara
pengangkutan elektron dengan fosforilasi. Beberapa uncoupler ini telah diketahui, antara
lain adalah NH3 dan dinitrofenol. Uncoupler bergerak dalam saluran thilakoid untuk
mengikat H+ dan mengangkutnya ke sisi stroma membran thilakoid dan kemudian
membebaskan H+ tersebut. H+ yang dibebaskan bersama OH- membentuk H2O. Aksi yang
berulang-ulang dari uncoupler ini memperkecil perbedaan pH antara dua sisi membran
thilakoid dan berarti menghambat sintesis ATP. Sebaliknya, kondisi yang tercipta tersebut
akan memacu pengangkutan elektron karena secara termodinamik akan lebih mudah
untuk mengangkut H+ menyeberangi membran thilakoid dalam kaitannya dengan oksidasireduksi PQ (plastoquinon).
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Tumbuhan sebagai salah satu komponen mahluk hidup, tentunya akan melakukan
proses kehidupan seperti pertumbuhan dan perkembangan. Proses hidup pertumbuhan
tersebut, tentunya dilakukan oleh struktur penyusun tubuh tumbuhan secara anatomis dan
fisiologis. Proses fisiologi tumbuhan yang sangat penting dalam penyediaan bahan organik
sebagai bahan metabolisme adalah proses fotosintesis.
Proses fotosintesis terjadi penguarian molekul air menjadi oksigen dan ion H+, yang
mengakibatkan terjadinya peningkatan ion H+ di lumen. Peningkatan ion ini mengakibatkan
pH semakin turun (semakin asam) dan terjadi perbedaan gradient antara asam di lumen
dan stroma. Perubahan pH ini membantu proses pembentukan ATP, seperti yang didukung
penelitian Jagendorf. Pada saat kloroplas di rendam dalam pH 4 dan kemudian kloroplas ini
di pindahkan ke kadar pH 8 dengan menambahkan ADP dan Pi, ternyata terjadi
pembentukan ATP.
Hal seperti inilah yang terjadi saat fotosintesis dimana terjadi pada saat fotosintesis.
Sehingga proses pembentukan ATP salah satunya akibat terjadinya perubahan pH dalam
lumen dan tilakoid.
DAFTAR ACUAN
1. Campbell Neil A. 2002. Biologi, Jilid 1, ed 5. Jakarta. Penerbit Erlangga
2. http://rizalsuhardieksakta.blogspot.com/2012/07/daun-dalam-kaitannya-denganfotosintesis_19.html, diakses 22 september 2013
3. http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/bio201/jagendorf.html, diakses
22 september 2013
4. Salisbury F B, Ross W R. F. 1992. Fisiologi Tumbuhan Jilid 2. Bandung: Penerbit ITB
Bandung
5. Taiz, L. and Zeiger, E. 2010. Plant Physiology (ebook), Fifth Edition. Sinauer Associates.
Sunderland, MA