Fisiologi Tumbuhan.docx

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Karbohidrat adalah polihidroksi aldehid (aldosa) atau polihidroksi keton (ketosa) dan turunannya atau senyawa yang bila dihidrolisa akan menghasilkan salah satu atau kedua komponen tersebut di atas. Karbohidrat berasal dari bahasa Jerman yaitu Kohlenhydrote dan dari bahasa Prancis Hidrate De Carbon. Daun tanaman mempunyai pigmen klorofil yang merupakan pigmen utama untuk aktivitas fotosintesis. Dalam proses fotosintesis akan dihasilkan karbohidrat berupa pati yang untuk sementara ditimbun pada daun. Selanjutnya pada saat gelap akan ditranslokasikan ke organ-organ lain (baik anabolisme maupun katabolisme). Pemindahan energi dari sinar matahari ke dalam tanaman dilaksanakan dengan perantara klorofil. Senyawa tersebut terdapat dalam sebuah organel vital bagi tanaman yaitu khloroplas. Proses fotosintesis akan menghasilkan karbohidrat, terutama glukosa. Diantara berbagai karbohidrat yang penting yang dapat dibentuk oleh tumbuhan dari glukosa adalah selulosa, sukrosa dan pati/amilum. Amilum didalam tumbuhan banyak tersimpan dalam akar, umbi ataupun biji-bijian. Butir-butir amilum itu sebenarnya semula terdapat di dalam kloroplas daun sebagai hasil fotosintesis. Lipid didefinisikan sebagai senyawa yang tidak larut dalam air yang diekstraksi dari makhuk hidup dengan menggunakan pelarut non polar, istilah lipid mencakup golongan senyawa dengan keanekaragaman struktur, definisi di atas berdasarkan sifat fisik yang berlawanan dengan definisi protein, karbohidrat maupun asam nukleat yang berdasarkan struktur kimianya. Lemak memiliki sifat-sifat yang khas yaitu tidak larut atau sedikit larut dalam air dan dapat diekstrasi dengan pelarut non-polar seperti chloroform, eter, benzene, heksana, aseton dan alcohol panas. fungsi biologis yang sangat menunjang kehidupan organisme, antara lai berperan dalam transport aktif sel, penyusun membrane sel, sebagai cadangan energi dan isolator panas, sebagai pelarut vitamin A, D, E, dan K. Lemak dapat

mengalami reaksi hidrolisis, ketengikan, hidrogenasi, penyabunan dan lainlain.

B. Rumusan Masalah 1. Bagaimana proses terjadinya biosintesis pati dan sukrosa sebagai hasil fotosintesis ? 2. Bagaimana proses alokasi translokasi fotoasimilasi ? 3. Bagaimana proses respirasi seluler pada tumbuhan ? 4. Bagaimana

katabolisme

lipid

dalam

biji,

siklus

glioksilat

dan

glukoneogenesis pada tumbuhan ?

C. Tujuan Penulisan 1. Menjelaskan proses terjadinya biosintesis pati dan sukrosa sebagai hasil fotosintesis 2. Menjelaskan proses alokasi translokasi fotoasimilasi 3. Menjelaskan proses respirasi seluler pada tumbuhan 4. Menjelaskan

katabolisme

lipid

glukoneogenesis pada tumbuhan

dalam

biji,

siklus

glioksilat

dan

BAB II PEMBAHASAN

A. Biosintesis Pati dan Sukrosa sebagai Hasil Fotosintesis Beberapa tumbuhan seperti kedelai, bayam dan tembakau menyimpan kelebihan hasil fotosintesis, misalnya pati yang berada di dalam kloroplas. Sementara tumbuhan yang lain, seperti gandum, jelai, dan gandum, hanya menyimpan sedikit pati dan yang sejumlah besar gula berada di vakuola. Pemberian karbon tetap menggunakan siklus PCR antara biosintesis pati atau gula ini dinamakan alokasi karbon. Pati dan gula akan berpindah untuk mendukung respirasi dan metabolisme lain yang dibutuhkan saat malam hari atau selama periode fotosintesis dengan output yang terbatas. Sukrosa dikirim dari sel daun ke jaringan non-fotosintetik yang akan melakukan metabolisme, sukrosa sementara disimpan dalam vakuola, atau pati yang dikonversi digunakan untuk penyimpanan jangka panjang dalam kloroplas. 1.

Biosintesisi Pati Dalam Stroma Karbohidrat yang tersimpan dalam tumbuhan tingkat tinggi didominasi

oleh pati polisakarida, yang diperlihatkan dalam dua gambar ini (gambar 9.1). Amilase adalah polimer tunggal dari glukosa yang ditulis dengan hubungan yang berdekatan antara glukosa residu pertama dan karbon keempat. Karena itu amilase diketahui dengan nama α-(1,4)-glukan. Amilopektin serupa dengan amilosa kecuali α-(1,6) yang semuanya saling terkait dan setiap 24 hingga 30 glukosa residu membuat percabangan molekul. Amilopektin sangat serupa dengan glikogen, penyimpanan utama karbohidrat dalam hewan. Glikogen mempunyai percabangan yang lebih tinggi, dengan satu α-(1,6) terkait untuk setiap 10 glukosa residu dibandingkan dengan 1 dari 30 amilopektin.

Situs sintesis dari pati berlangsung dalam kloroplas daun-daun. Penyimpanan terbesar pati dapat dilihat jelas dengan mikrograf elektron dari kloroplas tumbuhan C3. Dalam adisi, 2 enzim utama yang dilibatkan adalah – ADP

glukosa

piroposporilase

dan

sintesis

pati-

yang

ditemukan

keberadaannya dalam stroma kloroplas. Sintesis pati dalam kloroplas dimulai dengan heksosa pospat yang menghasilkan sebuah kolam dengan siklus PCR (gambar 9.2). Fruktosa-6-fosfat (F-6-P) merupakan satu komponen stroma heksosa pospat yang dikonversi ke glukosa-1-fosfat, sehingga menjadi komponen lain dari stroma heksosa pospat, dengan dua enzim kloroplas, heksosa-pospat isomerase (persamaan 9.1) dan pospoglukomutase (persamaan 9.2). Kemudian glukosa-1-P bereaksi dengan ATP menjadi ADP-glukosa (persamaan 9.3). Reaksi 9.3 merupakan katalis oleh enzim ADP-glukosa yang diaktifkan dalam bentuk glukosa dan mempercepat sintesis pati. Penyimpanan pati dalam stroma kloroplas jelas tidak melarutkan butir pati. Konsekuensinya, penyimpanan karbon dalam bentuk ini menggunakan osmosis untuk tumbuhan tingkat rendah penyimpanan sejumlah besar adalah karbon yang disimpan dalam kloroplas dengan sedikit mempengaruhi tekanan osmosis di stroma. Membran kloroplas mencegah ledakan saat akumulasi dan menyimpan karbon dalam bentuk pati.

Akhirnya, sintesis pati yang dikatalis oleh enzim membentuk formasi baru α-(1,4) yang saling berkaitan, dengan menambahkan lebih dari satu glukosa untuk memperpanjag rantai (persamaan 9.5).

Formasi dari α-(1,6) memiliki cabang-cabang yang saling keterkaitan, yang menimbulkan amilopektin dikatalis oleh percabangan enzim, yang juga dikenal dengan nama Q-enzim.

2.

Biosintesisi Sukrosa Di Sitosol Sukrosa merupakan disakarida yang larut yang terdiri dari glukosa dan

fruktosa residu (gambar 9.2B). Sukrosa merupakan satu dari sekian banyak produk alami yang tidak hanya berperan penting dalam kehidupan tanaman

namun juga merupakan komoditas komersial terkemuka. Fungsi dari sukrosa yaitu seperti penyimpanan produk dalam tanaman tebu. Dimana sukrosa disimpan dalam vakuola yakni penyimanan khusus dalam sel. Selain itu, mungkin sukrosa dikirim ke jaringan non-fotosintetik lain dalam tumbuhan yang digunakan untuk metabolik langsung atau untuk konversi pati. Sukrosa merupakan bentuk yang paling umum dari gula yang ditemukan dalam aliran translokasi. Situs dari sintesis sukrosa dalam sel menjadi perdebatan selama beberapa waktu. Dalam materi pembelajaran fraksinasi secara sel dan keberadaan enzim telah diketahui dengan jelas bahwa sintesis sukrosa terjadi secara ekslusif dalam sitosol

saat fotosintesis sel (gambar 9.2). Laporan sebelumnya

mengenai sintesis sukrosa, kloroplas

terisolasi menyebabkan munculnya

persiapan kontaminasi kloroplas dengan enzim sitosol. Bahkan, membran dalam pada kloroplas impermeable terhadap sukrosa, jadi jika sukrosa disintesis dalam kloroplas, maka dia tidak akan keluar dari kloroplas dan memasuki aliran translokasi. Ada dua jalan yang mungkin dilalui saat sintesis sukrosa. Jalan utama dari sintesis sukrosa dalam fotosintesis sel adalah tersedianya enzim sukrosa fosfat sintetase (persamaan 9.6) dan sukrosa fosfat fosfatase (persamaan 9.7).

Energi yang tersedia diperoleh dari hidrolisis sukrosa-6-fosfat (12,5 kJ mol-1) yang bekerja hanya pada akumulasi sukrosa berkonsentrasi tinggi dari tebu dan tanaman lain yang menyimpan sukrosa. Enzim lain yang ada di sitoplasma yang mampu mensintesis sukrosa adalah sukrosa sintetase (SS) (persamaan 9.8):

Dengan energi yang bebas sekitar +14 kJ mol-1, ini bukan merupakan reaksi yang spontan. Sebagian besar bukti menunjukkan bahwa kondisi SS dibawah keadaan normal menjadikan enzim ini bekerja berbalik ke arah sebaliknya untuk memecah sukrosa (persamaan 9.11).

Dicatat bahwa, saat kontras antara biosintesis pati dengan biosintesis sukrosa baik melalui jalur yang lebih membutuhkan aktivasi glukosa dengan nukleotida uridin tripospat (UTP) dari pada ATP. Meskipun sukrosa fosfatase sintetase berada dalam beberapa jaringan dapat menggunakan ADP-glukosa, UDP-glukosa adalah jelas yang paling utama. Karbon dari sitoplasma biosintetsis sukrosa dikirim malalui kloroplas sebuah ortopospat khusus (Pi)-tergantung lokasi pentranspor yang ada di membran dalam kloroplas (gambar 9.2). Pi/triose pospat transporter pertukaran Pi dan triose pospat- mungkin seperti dihidroksiase- tone fosfat (DHAP)dalam satu demi satu. Dalam sitoplasma, 2 molekul dari triose pospat (gliseraldehida-3-pospat dan DHAP) berwujud kental berupa fruktosa-1,6bipospat memasuki sitosol heksosa pospat (cytosolic hexose phosphate pool) dimana hal itu dikonversi untuk glukosa-1-pospat seperti dalam kloroplas, sitoplasma memperkerjakan rekan-rekan dari enzim kloroplasma. Beberapa ortopospat dihasilkan dalam sintesis sukrosa yang digunkaan untuk pembentukan kembali UTP sementara kloroplas dapat beristirahat dan bertukar menjadi triose-P. Sukrosa dikirim dari daun untuk disimpan dalam organ seperti akar, jaringan umbi, dan kecambah yang pada umunya disimpan dalam bentuk pati. Konversi sukrosa pada pati umunya melibatkan pembalikan dari reaksi sintesis sukrosa:

Karena ADP-glukosa disukai oleh sintesis pati, UDP-glukosa dikonversi oleh ADP-glukosa seperti ditunjukkan berikut ini (equation 9.12 dan 9.13):

Hasil yang berupa ADP-glukosa kemudian diubah menjadi pati dengan proses yang dinamakan sintesis pati.

B. Proses Alokasi dan Translokasi Fotoasimilasi 1. Alokasi Fotoasimilasi a. Proses Kompetisi Biosintesis Pati dan Sukrosa Secara tradisional metabolisme karbohidrat sebagian besar diatur oleh hubungan suatu sumber. Daun aktif berfotosintetsis, akan menjadi sumber yang menyediakan asimilasi karbon yang menyediakan transportasi ke sink , organ penyimpanan seperti bunga dan buah merupakan contoh dari organ yang memanfaatkan asimilasi. Sehubungan dengan sukrosa dan pati sering diamati bahwa terjadi penghapusan sink, sehingga mengurangi permintaan foto asimilasi, menyebabkan akumulasi pati di dalam daun. Hal ini menimbulkan asumsi bahwa pati hany amewakili sedikit dari pada karbon. Hal ini membuktikan bahwa asumsi tersebut salah. Pada tanaman kedelai (glycine max), akumulasi pati tidak terkait pada periode panjang/lamanya fotosintesis. Tumbuhan terkena cahaya dengan periode 7 jam jika titambahkan dengan proporsi yang lebih besar dari fotoasimilasi harian hingga menjadi pati dibandingkan dengan periode 14 jam, meskipun periode asimilasi hanya setengan dari yang panjang. Sehingga muncul daun yang asimilasi pati lebih jelas terkait dengan energi yang dibutuhkannya saat malam hari dari input fotosintesis. Kebutuhan ini sangat diantisipasi oleh tumbuhan yang tidak tahu. Meskipun, sekarang diketahui banyak spesies yang didistribusikan memiliki proporsi kaebon yang berbeda antara pati dan sukrosa yang tampaknya kapisitasnya tidak berhubungan atau kapasitas yang melekat seperti kloroplas berubah menjadi pati. Kemudian distribusi karbon muncul sebagai proses yang berprogram, menyiratkan beberapa pengukuran atas pengendalian dari luar yaitu sebuah sumber hubungan sederhana. Lebihdari itu, hal tersebut penting bahwa sintesis sukrosa dikontrol untuk menjaga kerjanya yang efisien dari fotosintesis itu sendiri. Jika menilai mengenai sintesisi sukrosa harus melebihi dari nilai asimilasi karbon, permintaan dari triose-P dalam sitoplasma bisa mengurangi siklus PCR intermediet, dengan mengurangi kapaistas pada siklus calvin regenerasi enzim RuBP dan menghambat proses fotosintesis. Semntara enzim sukrosa pospat sintetase (SPS) menentukan kapasitas maksimum untuk sintesis sukrosa, hal itu menunjukkan bahwa fruktosa-1,6bipospat pospatase dalam sitisol mempunyai peran utama dalam menyeimbangkan alokaasi karbon antara sukrosa dan sintesis pati. Yang sangat berperan dalam reaksi eksergonik (fruktoda-1,6-bipospat fruktosa-6pospat+Pi) yang menempati sebuah jalur strategi dalam sintesis sukrosa –

reaksi ini tidak dapat diubah dalam konversi triose-P untuk sukrosa. Karena itu aliran carbon menuju sukrosa dapat dengan mudah dikendalikan aktivitasnya oleh FBPase – sama dengan megatur aliran air dengan membuka atau menutup katup. Seperti FBPase kloroplas, mudah diatur oleh teredxin, sitosol FBPase tidak mudah diatur oleh teredoxin, namun inhibisinya lebih sensitiv oleh fruktosa-2,6-bipospat (F-2,6-BP) (gambar 9.3). F-2,6-BP, analog substrat dari alam fruktosa-1,6-bipospat, dianggap sebgaai rehulator metabolit karena fungsi dari regulator lebih dari substrat (gambar 9.4). F-2,6-BP pada kadarnya menjadi sensitiv untuk urutan faktor interaksi termasuk konsentrasi dari F-6-P dari sitosol heksosa pospat dan sitosol triosa-P/Pi ratio (gambar 9.4) Pengendalian sintessi sukrosa oleh F-2,6-BP sangat dibutuhkan untuk memastikan keseimbangan antara kadar asimilasi CO2 dan alokasi tetap karbon. Sebagai contoh, pengiriman sukrosa dari sel yang sedikit memdapat cahaya, akumulasi intermediet utama berupa F-6-P dalam sitosol heksosa pospat dan triosa-P. Inilah yang menyebabkan adanya nilai plus dari alokasi pati. Ketika kadar sukrosa dikurangi, sukrosa dan bhaan pendahulu lain (F-6-P, dll) akan diakumulasi dalam sitosol heksosa daun (gambar 9.2). F-6-P juga menjadi bahan pendahulu untuk F-2,6-BP, tingkatan zat penghambat akan meningkatkan kebaikan – inhibisi yang terkemauka adalah FBPase dan akumulasi triosa-P. Akumulasi dari posporilasi internediet mungkin juga memimpin penurunan konsentrasi Pi. Akumulasi dikombinasikan dengan triosa-P dan penurunan Pi nilainya akan berbelok menurun saat triosa-P dapat dikirim melalui kloroplas transporter. Akibat dari akumulasi dari triosa-P dan penurunan ortopospat dalam kloroplas berbelok menjadi stimulasi sintesis pati (gambar 9.2). Penurunan dalam stroma Pi memimpin reduksi sintesis ATP (ADP + Pi => ATP). Ini yang menyebabkan terbangunnya transtilakoid pH,

yang nilainya berbelok fotosintesis melalui transpor elektron yang diberi nama kontrol fotosintesis. Kontrol fotosintesis didefinisikan sebagai regulasi dari nilai fotosintesis transpor elektron oleh tilakoid pH. Karenanya, hal ini yang menyebabkan reduksi dalam nilai fotosintesis evolusi O2 dan akhir dari nilai asimilasi CO2. Tumbuhan memamerkan seperti inhibisi potosintesis yang dijuluki umpan balik yang terbatas. Banyak rincian yang tetap harus dikerjakan, namun sudah jelas bahwa sintesis pati terjadi di kloroplas, triosa-P dikirim, dan sintesis sukrosa dalam sitosol yang seimbang. Keseimbangan termodulasi dengan perubahan yang sangat halus dengan tingkatan triosa-P dan Pi merupakan regulasi yang tepat dari nomor enzim dan membutuhkan komunikasi intim antara dua kompartement selular. Kemudian, tetap alokasi karbon antara pati atau biosintesis sukrosa dalam ilustrasi sel mesofil daun bahwa jalur metabolisme mempunyai dua rol ganda: (1) menyediakan energi dan karbon untuk tumbuh dan pemeliharaan homeostatis dan (2) menyediakan informasi dengan respon untuk status metabolik dalam berbeda dua kompartemen. b. Biosintesisi Fruktan Merupakan Jalur Alternatif Alokasi Karbon

Alokasi karbon tambahan untuk sukrosa dan pati, dengan kapasitas 10% spesies tanaman terestorial untuk alokasi karbon polimer fruktosa yang larut disebut fruktan, biosintesisnya terjadi di vakuola. Tumbuhan yang mampu membentuk fruktan vakuola termasuk agronomi tanaman penting seperti sereal (gandum, jelai, gandum hitam) selain itu ada bawang merah, bawang putih, bawang pre, yurasalem artichoke dan chicory. Bentuk Yang paling umum dari fruktan di tanaman ini didasarkan pada selain enzimatik yang secara berurutan dapat dijelaskan sebagai berikut, yaitu fruktosa dari donor molekul sukrosa ke molekul akseptor sukrosa oleh enzim sukrosa yaitu sukrosa fruktosil transferase (SST). Hal ini menyebabkan pembentukan trisakarida, 1-kestose (persamaan 9.14), yang terdiri dari satu unit glukosil yang terkait dua unit fruktosil. Trisakarida ini diperluas oleh aksi dari tambahan enzim vakuolar, fruktan: fruktosil fruktan transferase (FFT), yang menghasilkan formasi polimer fruktosa dalam bentuk glukosil-1,2-fructosil-1,2-fructrose- (fructosil)N terkait di Orientasi 1,2-β dan di mana N dapat bervariasi antara 1 (Kestose) dan 40 (persamaan 9.15).

Dalam kondisi di mana tingkat akumulasi karbon melebihi tingkat pemanfaatan karbon, sukrosa terakumulasi dan enzim dari vacuolar fruktan metabolisme, SST dan FFT, yang diinduksi. Dengan demikian, diduga bahwa peningkatan konsentrasi sukrosa sitosol memicu biosintesis fruktans. Sukrosa terakumulasi dalam sitosol diangkut ke vakuola dan dikonversi ke fruktans. Sejak akumulasi fruktan bisa mencapai tingkat setinggi 40 % dari berat kering sereal, biosintesis fruktans vacuolar mewakili mekanisme penting untuk alokasi karbon. Seperti dibahas di atas, spesies tanaman seperti bayam di mana pati adalah karbohidrat penyimpanan utama, regulasi metabolit, fruktosa-2,6bifosfat, umpan balik menghambat ekspor triose fosfat dari kloroplas stroma dalam menanggapi kenaikan konsentrasi sukrosa sitosol. ini merangsang biosintesis pati melalui aktivasi enzim, pirofosforilase ADP-glukosa dan hasil peningkatan dalam pati/ ratio sukrosa (tabel 9.1).

Namun, jenis inhibisi umpan balik tidak tampaknya terjadi pada tanaman seperti Lolium temulentum yang mengkonversi sukrosa untuk fruktans di vakuola (Tabel 9.1). Telah diusulkan bahwa ketidakpekaan jelas metabolisme kloroplas untuk sukrosa sitosol akumulasi dalam fruktan-akumulator dapat mewakili keuntungan selektif untuk rumput yang berkembang di lingkungan di mana ada perubahan yang cepat dalam menyeimbangkan antara pasokan dan permintaan tetap karbon karena baik shading, suhu dingin, abadi kebiasaan pertumbuhan, atau mungkin herbivora. Ini menurun kepekaan terhadap umpan balik terbatas fotosintesis akan memungkinkan fruktan-akumulator untuk mempertahankan tingkat yang lebih tinggi dari asimilasi CO2 karena pemeliharaan yang lebih besar fluks karbon melalui jalur biosintesis sukrosa dari akumulator pati. 2. Translokasi Fotoasimilasi a. Pembuluh Pengangkut dan Komposisi Larutan Fotosintat yang dihasilkan pada daun-daun dan sel-sel fotosintetik lainnya harus diangkut ke organ atau jaringan lain agar dapat dimanfaatkan oleh organ atau jaringan tersebut untuk pertumbuhan atau ditimbun sebagai bahan cadangan. pertanyaan-pertanyaan yang timbul adalah dalam bentuk senyawa apa fotosintat diangkut dari daun ke organ atau jaringan penerima Mengapa senyawa tersebut diangkut dan bagaimana cara senyawa foto Shinta tersebut diangkut. Hasil fotosintesis diangkut dari daun ke organ-organ lain seperti akar, batang, dan organ reproduktif melalui pembuluh floem penelitian yang paling

awal yang terekam sejarah untuk membuktikan hal ini telah dilakukan pada tahun 1675 di Italia oleh Marcello Malphighi, seorang ahli anatomi tumbuhan. Sesungguhnya yang diangkut melalui floem tidak saja senyawa-senyawa hasil fotosintesis tetapi juga senyawa senyawa organik lainnya dan beberapa senyawa anorganik. Dalam eksperimennya, Malpighi menghilangkan cincin kulit kayu (yang mengandung floem) dari kayu (yang mengandung xilem) dari batang muda dengan memisahkan dua di kambium, teknik ini dikenal sebagai girdling. Karena jaringan kayu xilem tetap utuh, air dan nutrisi anorganik terus naik ke daun dan tanaman mampu bertahan selama beberapa waktu. Terdapat karakteristik seperti kulit tanaman terjadi pembengkakan tepat di atas korset (Gambar 9.5).

Unsur-unsur hara yang diserap oleh akar diangkut melalui pembuluh xilem ke daun, tetapi tidak semua unsur hara tersebut difiksasi menjadi senyawa organik ada unsur hara yang hanya sebagian yang digunakan bagian komponen penyusun senyawa organik dan ada unsur hara yang sama sekali tidak digunakan sebagai komponen penyusun senyawa organik, serta ada pula unsur nonesensial yang ikut terserap oleh akar. Beberapa dari unsur ini (dalam bentuk ion anorganik) akan di sirkulasi di dalam tubuh tumbuhan. Sirkulasi senyawa anorganik ini juga dilakukan melalui pembuluh floem. Senyawa atau

ion yang diangkut melalui pembuluh floem dan xilem dicerminkan oleh komposisi senyawa yang terkandung dalam larutan floem dan xilem tersebut. b. Anatomi Floem Sebelum

mencoba

untuk

memahami

Bagaimana

mekanisme

pengangkutan senyawa senyawa organik dan anorganik terutama fotosintat melalui pembuluh floem pada ada baiknya dipahami dahulu tentang struktur anatomi pembuluh floem itu sendiri. Jaringan floem terdiri dari beberapa komponen sesuai dengan fungsinya masing-masing, yakni elemen saringan, sel seniman (companion cell), sel parenkhima floem, dan serat floem. Elemen saringan merupakan sel hidup yang memanjang tetapi tidak memiliki inti sel. Sel ini sambung-menyambung dengan sel elemen saringan lainnya sehingga membentuk struktur seperti pipa disebut tabung saringan (sieve tube). Dinding sel yang menghubungkan elemen jaringan yang satu dengan yang lain disebut sebagai piring saringan (silver plate). Pada dinding sel ini banyak terdapat lubang-lubang (gambar 1) Sel peneman (pada tumbuhan gymnospermae disebut sel albuminus) yang bersebelahan dengan elemen saringan merupakan sel dengan sitoplasma yang pekat dan memiliki inti yang jelas. Pada dinding sel antara sel peneman dengan tabung floem banyak terdapat plasmodesmata. Fungsi sel peneman ini masih belum diketahui dengan jelas. Walaupun demikian, sel peneman ini selalu ada di sekitar tabung floem yang masih berfungsi, dan sel ini akan terdegradasi jika tabung floem rusak (senescene). Pada daun, sel ini berperan menyerap gula dan kemudian mentransfernya melalui plasmodesmata ke tabung frame. Sel parenkhima floem merupakan sel yang berdinding tipis dan pada dasarnya sama dengan parenkhima lainnya. Sel ini berfungsi sebagai penyimpan dan pengangkut lateral dari air dan bahan yang terlarut dalamnya. Serat floem yang kadang berkelompok merupakan sel dengan dinding yang tebal. Serat floem berfungsi sebagai penyangga agar jaringan floem menjadi kokoh. Pada beberapa spesies, sel peneman mempunyai pertumbuhan dinding sel ke arah dalam (ingrowth) sehingga membentuk tonjolan-tonjolan. Pertumbuhan

dinding sel seperti ini akan memperluas permukaan membran sampai tiga kali lipat sebagaimana ditunjukkan oleh tanaman Vicia Faba. Perluasan permukaan membran ini akan mempercepat serapan oleh sel peneman. Sel peneman dengan pertumbuhan ke dalam ini disebut sel transfer. Sel transfer ini tidak dijumpai secara umum, hanya ditemukan pada beberapa spesies leguminosa dan keluarga aster.

Gambar 1. Potongan memanjang dan melintang jarigan floem c. Mekanisme Pengangkutan Melalui Floem Model pengangkutan frame yang dianut sekarang didasarkan atas model yang dikemukakan pertama kali oleh E. Munch di Jerman pada tahun 1926. Konsep pengangkutan ini dikenal sebagai Hipotesis Aliran Tekanan Munch (Munch’s pressure flow hypothesis). Munch mengembangkan model ini di laboratorium dengan menggunakan 2 buah osmometer yang dihubungkan satu sama lain dengan menggunakan pipa. Osmometer yang pertama berisi larutan yang lebih pekat dengan osmometer yang kedua berisi larutan yang lebih encer kedua osmometer ini direndam dalam 2 buah bejana yang juga berhubungan satu sama lain (gambar 2). Yang akan terjadi pertama adalah air masuk ke osmometer pertama secara osmosis. Hal ini mengakibatkan tekanan internal pada osmometer pertama meningkat. Karena kedua osmometer berhubungan satu sama lain, maka

tekanan tersebut akan ditransfer dari osmometer yang pertama ke osmometer yang kedua, yakni dalam bentuk perpindahan secara pasif sebagian larutan asal osmometer pertama ke osmometer kedua. Hal ini tentu mengakibatkan tekanan pada osmometer kedua menjadi meningkat, berarti potensial air pada osmometer kedua menjadi lebih tinggi (lebih positif). Sebagai akibatnya air akan berdifusi keluar dari osmometer, tetapi bahan yang terlarut akan tertinggal di dalam osmometer. Pengangkutan melalui floem dianalogikan dengan model Munch dengan menggunakan 2 osmometer diatas. Osmometer pertama diasosiasikan dengan daun (sebagai sumber), sedangkan osmometer kedua diasosiasikan dengan organ-organ penerima (sebagai limbung, misalnya buah, jaringan meristem, dan akar). Perbedaan antara model osmometer dengan pengamatan floem yang sesungguhnya terletak pada sumber dan limbungnya. Pada daun, bahan terlarut yang telah terangkut segera ditambahkan kembali dari hasil fotosintesis (phloem loading) dan bahan terlarut yang telah sampai ke limbung akan dikeluarkan dari pembuluh floem (phloem unloading) dimanfaatkan untuk pertumbuhan atau di timbun di organ penampung, misalnya dalam bentuk pati atau lemak. Larutan perendam pada model osmometer setara dengan bagian apoplas tanaman, yakni dinding sel dan pembuluh xylem.

Gambar 2. Model osmometer untuk memperagakan hipotesisi aliran teknan Munch

d. Laju Pengangkutan Melalui Floem Laju pengangkutan melalui pembuluh floem ke suatu organ (misal buah) secara sederhana dapat diestimasi dengan cara menghitung penambahan berat

organ tersebut selama kurun waktu tertentu. Kemudian diukur luas penampang melintang dari pembuluh floem. Berdasarkan data tersebut dapat di hitung laju transfer massa (massa transfer rate). Sebagai contoh, untuk pengangkutan ke buah labu (pumpkin) diperkirakan laju transfer massa sebesar 165 mg.mm2

.jam-1. Selain laju transfer massa, dapat pula dihitung kecepatan pengangkutan

(velositas) yakni jarak yang ditempuh persatuan waktu. Alden S. Crafts dan O. Lorenz (dari University of California di Davis) berasumsi bahwa bahan kering yang diangkut melalui floem mempunyai gravitasi spesifik (kepadatan) sebesar 1,5 g.cm-3. Nilai ini jika dibagi dengan laju transfer massa akan diperoleh velositas sebesar 110 mm.jam-1. Tentu saja, bahan yang diangkut dalam pembuluh xilem tidak dalam bentuk kering, tetapi terlarut dalam air. Dengan demikian, velositas sesungguhnya adalah lebih cepat. Potensi osmotik larutan floem yang umum terukur adalah antara -2 Mpa samapai -3 Mpa, yang setara dengan 20% sampai 30% larutan sukrosa (sukrosa merupakan bahan terlarut yang dominan pada larutan floem). Berdasarkan nilai ini, maka velositas pengangkutan pada pembuluh floem adalah antara 363 sampai 550 mm.jam-1. Dengan teknik yang lebih maju, ukuran velositas dapat dilakukan dengan isotop

11

C dalam bentuk CO2 yang diberikan pada daun. isotop ini akan

terkandung dalam fotosintat yang akan diangkut melalui pembuluh floem. Pada 2 atau lebih posisi pada batang ditempatkan pendeteksi radiasi dengan cara yang telah ditetapkan. Waktu antara radiasi terdeteksi pada detektor pada posisi pertama dengan detektor berikutnya merupakan velositas pengangkutan melalui pembuluh floem. Hasil pengukuran dengan teknik ini juga menunjukkan konsistensi dengan perhitungan terdahulu. Untuk kebanyakan spesial, vilositas pengangkutan berkisar antara 500 sampai 1500 mm.jam-1. e. Pengisian Floem Pengisian floem (phloem loading) merupakan proses peningkatan konsentrasi gula pada sel-sel floem yang berada dekat dengan sel-sel fotosintetik pada daun. Berdasarkan pengukuran pada berbagai spesies, terlihat bahwa potensi osmotik sel-sel mesofil (sekitar -0,8 MPa sampai -1,8 Mpa) lebih tinggi dibanding pada pembuluh floem (antara -2,0 MPa sampai -3,0

Mpa). Karena bahan terlarut yang dominan baik pada sel mesofil maupun pembuluh floem daun adalah sukrosa, maka nilai potensi osmotik tersebut mengisyaratkan bahwa konsentrasi sukrosa pada pembuluh floem lebih tinggi dibanding pada sel-sel mesofil. Hasil kajian yang telah dilakukan banyak ahli menunjukkan bahwa sukrosa akan diangkut secara simplastik (melalui plasmodesmata) antara sel-sel mesofil sampai ke sel mesofil yang berdampingan dengan sel peneman pada jaringan floem. Masuknya sukrosa ke sel peneman tidak secara simplastik karena pada dinding sel antara sel mesofil dengan sel peneman floem sangat jarang sekali terdapat plasmodesmata. Bukti yang lebih meyakinkan untuk agumentasi bahwa sukrosa sebelum masuk ke sel peneman floem harus terlebih dahulu disekresikan keluar sitoplasma sel mesofil adalah dengan menggunakan senyawa asam pkhloromerkuribenzen sulfonat (p-chloromercuribenzene sufonic acid, disingkat PCMBS) yang dapat menghambat serapan sukrosa atau proses pengisian floem. Senyawa PCMBS ini tidak dapat masuk ke sitoplasma. Dengan demikian, hambatan yang ditunjukkan oleh senyawa ini terjadi pada saat sukrosa berada pada apoplas (dinding sel). Ada beberapa alasan untuk meyakini bahwa sel peneman floem yang berfungsi untuk menyerap sukrosa dari apoplas. Pertama, sel peneman ini lebih besar dan lebih aktif dibandingkan sel lain pada jaringan floem. Kedua, adanya pertumbuhan ke dalam (ingrowth) yang menyebabkan luas permukaan membran sel ini menjadi 3 kali lebih luas. Serapan sukrosa oleh sel peneman ini menyebabkan potensi osmotik sitoplasma sel ini menjadi turun (lebih negatif) dan ini akan merangsang air untuk masuk secara osmosis ke dalam sel ini dari sel-sel mesofil sekitarnya. Sebagai akibatnya tekanan internal pada sel peneman akan meningkat dan mengakibatkan sukrosa bergerak masuk ke pembuluh floem secara simplastik melalui plasmodesmata. Masuknya larutan yang mengandung sukrosa ke pembuluh floem dari sel-sel peneman ini yang mengakibatkan tekanan internal pada pembuluh floem pada daun lebih tinggi, yang kemudian menjadi faktor

pendorong dari aliran larutan floem, berarti pengangkutan senyawa-senyawa yang terlarut didalamnya. Proses pengisian floem ini bersifat selektif. Jenis gula yang dianggap masuk ke pembuluh floem adalah dari golongan raffinosa, terutama sukrosa dan gula-gula alkohol. Gula tereduksi seperti glukosa dan fruktosa jarang diangkut ke dalam pembuluh floem. Demikian pula dengan asam amino dan mineral. Sifat selektif ini memperkuat argumentasi bahwa senyawa-senyawa atau ion-ion yang akan dimuat ke dalam pembuluh floem diserap dari apoplas oleh sel-sel peneman floem.

Sifat selektif ini berkaitan dengan peranan

senyawa pembawa pada membran, yang hanya akan mengangkut senyawasenyawa tertentu. Sukrosa diserap masuk sel peneman secara contransport dengan proton (H+). Proton dipompakan keluar sitoplasma sel dengan menggunakan energi ATP dengan enzim ATPase sebagai pembawa. Dengan demikian, maka PH di luar sel akan menjadi lebih rendah (konsentrasi H+ di luar sel menjadi lebih tinggi). Proton

kemudian masuk kembali ke dalam sel secara difusi.

Pergerakan ini akan dibarengi dengan pengangkutan sukrosa ataupun gula lainnya oleh protein pembawa pada membran. Protein pembawa pertama bergabung dengan sukrosa kemudian H+ atau dengan H+ dahulu baru kemudian sukrosa. Jelas bahwa pengisian floem membutuhkan energi metabolik. Oleh sebab itu, prose ini kaan terhambat jika metabolisme untuk menghasilkan ATP terhambat. Akan tetapi, proses pengangkutan di dalam pembuluh floem tidak membutuhkan energi. f. Pemilihan Arah Pengangkutan Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa daun-daun pada bagian bawah akan lebih banyak mengangkut fotosintat ke akar, sedangkan daun-daun bagian atas (misalnya daun bendera pada rerumputan) akan lebih banyak mengirim fotosintat ke organ hasil seperti biji, buah, atau daun-daun muda yang sedang tumbuh. Pengetahuan tentang aspek ini penting artinya jika dihubungkan dengan usaha pemulian tanaman untuk menggiring agar lebih banyak hasil fotosintesis

yang dikirim ke organ hasil, yang dicerminkan dengan meningkatnya indeks panen dari tanaman. Banyak jenis tanaman yang telah berhasil ditingkatkan nilai indeks panennya, tetapi usaha ini lebih didasarkan pada praktik pemulian tanaman secara konvensional (melalui seleksi dan persilangan) dengan tanpa usaha yang secara langsung memanipulasi pola pengangkutan hasil fotosintesis.

Gambar 3. Model pengisisan floem untuk menunjukkan keterlibatan H+ dan ATP dalam pengangkutan sukrosa Pada suatu tanaman terdapat banyak organ dan juga banyak organ atau jaringan yang berfungsi sebagai limbung. Karena banyaknya limbung pada suatu tanaman, maka tentu terjadi kompetisi antara organ-organ atau jaringanjaringan limbung tersebut, terutama jika bahan yang dibutuhkan tidak sepenuhnya dapat disediakan oleh organ-organ sumber yang ada. Beberapa hasil penelitian mengungkapkan bahwa laju fotosintesis dipengaruhi oleh kebutuhan organ limbung. Sebagai contoh, jika umbi kentang yang sedang tumbuh dibuang, maka laju fotosintesis pada daun tanaman kentang tersebut akan menurun secara drastis. Penurunan laju fotosintesis ini diduga pada awalnya disebabkan oleh penumpukan fotosintat pada daun yang menyebabkan hambatan pada laju reaksi fotosintesis. Tetapi argumentasi ini bertentangan dengan fakta bahwa fotosintat umumnya disekresikan ke apoplas (sebelum diserap oleh sel peneman floem). Jadi berada di luar sitoplasma sel,

sedangkan fotosintesis berlangsung pada kloroplas, maka hambatan oleh proses fotosintesis yang terakumulasi ini juga akan secara langsung mempengaruhi laju fotosintesis. Kompetisi antara organ atau jaringan limbung akan ditentukan oleh laju pengeluaran bahan dari pembuluh floem (phloem unloading) pada masingmasing limbung tersebut. Limbung yang dengan cepat memanfaatkan bahan terlarut (menyerap sukrosa) dari pembuluh floem akan berpeluang lebih besar untuk memperoleh lebih banyak lagi bahan terlarut yang dikirim dari organ sumber. Hal ini disebabkan karena jika sukrosa diserap sel-sel organ limbung dari pembuluh floem, maka potensi air sel-sel limbung tersebut akan turun. Sebagai akibatnya, air akan bergerak keluar dari pembuluh floem dan tekanan internal pembuluh floem pada organ atau jaringan limbung akan turun. Hal ini akan lebih memacu laju pengangkutan dari sumber ke limbung karena perbedaan tekanan internal yang lebih besar antara kedua ujung pembuluh floem tersebut. C. Respirasi Seluler Semua sel aktif terus menerus melakukan respirasi, sering menyerap O2 dan melepaskan CO2 dengan volume yang sama. Namun seperti kita ketahui respirasi lebih dari pertukaran gas secara sederhana. Proses keseluruhan merupakan reaksi oksidasi-reduksi , yaitu senyawa di oksidasi menjadi CO2 sedangkan O2 yang diserap di reduksi membentuk H2O. Pati, fruktan, sukrosa atau gula lainnya, lemak, asam organik, dan pada keadaan tertentu bahkan protein, dapat bertindak sebagai substrat respirasi. Respirasi umum glukosa, misalnya dapat ditulis sebagai berikut C2H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energy Sebagian besar energy yang dilepaskan selama respirasi kira-kira 270 kJ atau 686 kcal per mol glukosa, berupa bahang. Bila suhu rendah, bahang ini dapat merangsang metabolisme dan menguntungkan beberapa spesies tertentu, tapi biasanya bahang

tersebut dilepaskan ke atmosfir atau ke tanah, dan

berpengaruh kecil terhadap tumbuhan. Yang lebih penting dari bahang adalah energy yang terhimpun dalam ATP, sebab senyawa ini digunakan untuk

berbagai proses esensial dalam kehidupan, misalnya pertumbuhan dan penimbunan ion. 1. Kuosien Respirasi Jika karbohidrat, misalnya sukrosa , fruktan atau pati merupakan substrat respirasi dan jika mereka secara sempurna di oksidasi, maka volume O2 yang di ambil persis berimbang dengan CO2 yang di lepaskan. Nisbah CO2 terhadapO2 ini disebut kuosien respirasi atau RQ, sering hamper mendekati satu. Sebagai contoh, RQ yang diperoleh dari daun berbagai jenis tumbuhan rata-rata 1,05. Biji yang sedang berkecambah dari tumbuhan serealia dan kacang-kacangan seperti kapri dan kacang yang mengandung pati sebagai cadangan makanan utama, juga menunjukkan nilai RQ sekitar 1,0. Tapi, biji berbagai tumbuhan lain banyak mengandung lemak atau minyak yang kaya hydrogen dan rendah kandungan oksigennya. Bila lemak dan minyak di oksidasi selama perkecambahan, RQ sering hanya 0,7 sebab cukup banyak oksigen diperlukan untuk mengubah hydrogen menjadi

CO2. Perhatikan

oksidasi asam lemak yang lazim, yaitu asam oleat : C18H34O2 → 18CO2 + H2O RQ reaksi ini adalah 18/25,5 = 0,71. Dengan mengukur RQ berbagai bagian tumbuhan, dapat diperoleh informasi tentang jenis senyawa yang sedang dioksidasi.Masalahnya rumit karena setiap saat berbagai jenis senyawa dapat direspirasikan, sehingga RQ terukur merupakan angka rarata yang bergantung dari sumbangan tiap-tiap substrat dan kandungan karbon, hydrogen dan oksigennya. 2. Pembentukan gula heksosa dari karbohidrat cadangan a. Penyimpanan dan Perombakan Pati Seperti dijelaskan sebelumnya, pati disimpan dalam bentuk butir yang tak larut dalam air, dan mengandung molekul amilopektin bercabang dan amilosa tak bercabang.Pati yang terhimpun dalam kloroplas selama fotosintesis merupakan cadangan karbohidrat terbanyak di daun sebagian besar tumbuhan.Pati yang dibentuk di amiloplas organ penyimpanan hasil dari translokasi sukrosa atau gula bukan pereduksi lainnya juga merupakan substrat respirasi yang utama dari organ penyimpan (gambar ). Sel parenkim di akar

dan batang umumnya menyimpan pati, pada tumbuhan tahunan, pati disimpan selama musim dingin dan digunakan untuk pertumbuhan baru pada musim semi berikutnya. Umbi kentang kaya akan amiloplas yang mengandung pati, dan sebagian besar pati ini hilang oleh respirasi dan translokasi gula dari bagian umbi yang ditanam untuk memperoleh tanaman baru. Jaringan penyimpanan endosperma atau kotiledon dari berbagai biji mengandung banyak pati dan sebagian besar akan hilang selama pertumbuhan kecambah. Penyimpanan pati pada berbagai tumbuhan ditelaah oleh Jenner (1982).

Gambar. butir pati di amiloplas kentang gambar

dibawah

memperlihatkan

hubungan

antara

endosperma

penyimpanan pati dan bagian lain dari biji jagung. Dalam contoh ini hanya beberapa molekul glukosa yang berasal dari pati yang dioksidasi seluruhnya menjadi CO2 dan H2O. Molekul glukosa lainnya di ubah menjadi molekul sukrosa di dalam skutelum atau kotiledon dan kemudian di angkut ke akar dan batang yang sedang tumbuh, dan disitu sebagian terespirasi seluruhnya dan sebagian lagi diubah menjadi bahan dinding sel, protein dan bahan lainnya yang diperlukan untuk pertumbuhan bibit. Sebagian besar langkah dalam proses perombakan pati menjadi glukosa dikatalisis oleh tiga macam enzim, walaupun ada enzim lainnya yang masih diperlukan untuk melengkapi proses tersebut. Ketiga enzim yang pertama itu meliputi alfa amylase (-amilase), beta amylase (-amilase) dan pati fosforilase. Dari ketiganya, hanya -amilase yang dapat menyerang butir pati

utuh, sehingga bila -amilase dan pati fosforilase terlibat, diduga mereka bekerja pada produk pertama yang dilepas oleh -amilase (Stitt dan Steup, 1985; Manners 1985). Alfa amylase secara acak menyerang ikatan 1,4 pada amilosa ataupun amilopektin, sehingga mula-mula mengakibatkan terjadinya ceruk acak pada butir pati dan melepas produk yang masih besar.

A

B

Gambar A. Penampang melintang biji jagung, memperlihatkan hubungan endosperma penyimpanan-pati dengan bagian lain dari bij. B. kecambah jagung mendapatkan makanan dari endosperma. Tanpa rantai amilosa tak bercabang, serangan berulang oleh -amilase menghasilkan maltose, disakarida yang mengandung dua unit glukosa. Tetapi -amilase tidak dapat menyerang ikatan 1,6 pada titik cabang pada amilopektin terhenti bila dekstrin bercabang yang berantai pendek tetap ada. Banyak amilase diaktifkan oleh Ca2+, ini menunjukkan kalsium merupakan unsur esensial. Beta amylase menghidrolisis pati menjadi -maltosa; enzim ini mulamula hanya bertindak pada gugus akhir nonreduksi.-maltosa secara cepat diubah oleh mutarotasi menjadi campuran alamiah dari dan -isomer. Hidrolisis amilosa oleh -amilase hamper sempurna, tapi pemecahan amilopektin tidak sempurna sebab ikatan cabangnya tidak diserang.Sekali lagi, dekstrin bercabang tetap tidak berubah.

Aktivitas kedua amylase meliputi pengambilan satu H2O untuk setiap ikatan yang terpotong, jadi mereka merupakan enzim hydrolase.Reaksi hidrolitik tidak dapat balik, sehingga tidak ada sintesis pati oleh amylase yang terdeteksi.Asas umum ialah molekul besar biasanya disintesis oleh satu rangkaian reaksi dan dirombak oleh rangkaian reaksi lainnya. Amylase tersebar luas di dalam barbagai jaringan, tapi yang paling aktif ialah dalam biji kaya pati yang sedang berkecambah.Di daun, -amilase mungkin jauh lebih penting dibandingkan dengan-amilase bagi pembentukan pati. Enzim -amilase berada di bagian dalam kloroplas, sering tertempel pada butir pati yang akan diserang. Enzi mini berfungsi pada siang maupun malam hari, walaupun selama siang hari terjadi produksi neto pati dari fotosintesis. Pati

fosforilase

merombak

pati

mulai

dari

ujung

akhir

nonreduksi.Perombakan ini tidak terjadi dengaan menggabungkan air ke dalam produk seperti yang dilakukan oleh amylase, tapi dengan menggabungkan fosfat.Jadi ini merupakan enzim foforolitik, bukannya hidrolitik, dan reaksi yang dikatalis dapat balik in vitro. Pati + H2PO4 glukosa-1-fosfat Kendati reaksi ini terbalikkan in vitro, peranan utama pati fosforilase hanyalah pada perombakan pati. Salah satu alasannya adalah konsentrasi Pi di dalam plastid sering 100 kali lebih tinggi daripada glukosa -1- fosfat; pada keadaan ini sintesis pati dapat di abaikan. Akan lebih jelas kemudian bahwa pembentukan glukosa -1-fosfat tidak memerlukan ATP untuk mengubah glukosa menjadi glukosa fosfat selama respirasi. Amilopektin hanya sebagian saja dirombak oleh pati fosforilase.Reaksi berlangsung secara bertahap dari ujung akhir nonreduksi dari tiap rantai utama atau rantai cabang kedalam beberapa residu glukosa dari ikatan cabang -16, sehingga dekstrin sekali lagi tetap tidak berubah.Amilosa dengan sedikit cabang seperti itu dirombak hampir seluruhnya oleh pengambilan berulang unit glukosa, dimulai dari ujung akhir nonreduksi rantai.Pati fosforilase tersebar luas dalam tumbuhsn (seperti amylase) dan sering sukar untuk memastikan enzim mana yang paling banyak mencerna pati di sel yang bersangkutan.Teori terakhir menjelaskan bahwa -amilase (atauu endoamilase serupa) penting

untuk penyerangan awal, seperti telah dikemukakan, dan bagi biji tumbuhan serealia kedua amylase nampaknya berfungsi, tapi pati fosforilase tidak.Untuk biji spesies lainnya, untuk daun dan untuk jaringan lainnya, pati fosforilase juga berperan, khususnya salah satu amilasse. Ikatan cabang 1,6 pada amilopektin atau dekstrin bercabang yang tidak diserang oleh salah satu enzim diatas akan di hidrolisis oleh berbagai enzim pemutus cabang. Tumbuhan mengandung tiga jenis enzim yang agak berbeda sesuai dengan jenis polisakarida yang akan diserang; jenis pullulanase, isoamilase dan limit dekstrinase. Kerja ketiga enzim tersebut pada rantai pati bercabang adalah menyediakan gugus akhir tambahan untuk diserang oleh amylase atau oleh pati fosforilase, dan kerja berikutnya dari limit dekstrinase pada dekstrin memungkinkan terjadinya pencernaan menyeluruh dari amilopektin menjadi glukosa, maltose atau glukosa-1-fosfat Maltose jarang terhimpun dalam jumlah yang cukup karena dihidrolisis menjadi glukosa oleh enzim amylase sebagai berikut: Maltose + H2O → 2 -D-glukosa Unit glukosa yang dihasilkan sekarang tersedia untuk di ubah menjadi polisakarida lainnya seperti diuraikan pada pasal 11,7 atau seperti telah diterangkan pada bab ini untuk dirombak oleh respirasi. Secara ringkas, amylase menghidrolisis rantai amilosa tak bercabang terutama menjadi maltosa, sedangkan pati fosforilase mengubah rantai seperti itu menjadi glukosa-1-fosfat.Kerja ketiga enzim itu pada amilopektin menyisakan dekstrin, ikatan cabang yang harus dihidrolisis oleh enzim pemutus-cabang.Maltosa dihidrolisis menjadi glukosa terutama oleh maltase. Semua perombakan pati menjadi heksosa mungkin berlangsung di kloroplas atau amiloplas, sedangkan respirasi heksosa sesungguhnya dimulai di sitosol.Seperti dijelaskan pada pasa 11.1, heksosa sangat jarang keluar dari kloroplas atau amiloplas.Jika demikian halnya, maka heksosa yang berasal dari pati

harus

selalu

diubah

menjadi

triosa

fosfat

(3-PGaldehid

dan

dihidroksiaseton-P) di plastid, dan molekul ini harus dipindahkan oleh pembawa fosfat ke dalam sitosol.Di sini, senyawa tersebut dapat diubah

kembali menjadi heksosa fosfat atau dapat masuk langsung ke respirasi (glikolisis). b. Hidrolisis Fruktan Bahan cadangan makanan karbohidrat utama pada beberapa spesies, terutama batang, daun dan bunga rerumputan subtropik serta sebagian anggota Asteraceae dan suku lainnya, bukanlah pati, melainkan fruktan. Tapi, bahkan pada spesies tersebut, fruktan boleh dikatakan jarang terdapat dalam jumlah banyak di biji.Seperti biasa, pati merupakan cadangan karbohidrat utama di biji. Mengingat pentingnya senyawa ini, agak mengherankan jika hanya sedikit yang diketahui tentang metabolisme fruktan dihidrolisis oleh enzim -fruktofuranosidase dengan kekhususan terhadap ikatan -2,1 atau -2,6 yang terlibat. Sebagai contoh, salah satu enzim ini yang berasal dari umbi artichoke Jerusalem secara berurutan akan memotong unit fruktosa dari inulin sampai campuran fruktosa dan unit sukrosa paling akhir tidak berubah: glukosa-fruktosa-(fruktosa)n + nH2O (fruktan) → n fruktosa + glukosafruktosa (sukrosa) Fruktosa dapat megalami respirasi secara agak langsung, sedangkan sukrosa harus dipecah dulu menjadi glukosa dan fruktosa, seperti dijelaskan berikut ini. c. Hidrolisis sukrosa Reaksi penting perombakan sukrosa ialah hidrolisis tak terbalikkan oleh invertase menjadi glukosa dan fruktosa bebas: Sukrosa + H2O → glukosa + fruktosa Invertase berada di sitosol, vakuola, dan kadang-kadang di dinding sel. Invertase sitosol bersifat basa dengan pH optimum sekitar 7,5 sedangkan dua lainnya merupakan invertase asam dengan pH optimum 5 atau kurang. Invertase dinding sel, bila ada, menghidrolisis sukrosa terangkut menjadi molekul glukosa dan fruktosa yang kemudian diserap oleh sel pengguna.

Enzim lainnya yang dapat merombak sukrosa ialah sukrosa sintase, dinamakan demikian karena reaksi yang dikatalisis terbalikka dan mula-mula dianggap

penting terutama

dalam

sintesis

sukrosa.

Sukrosa

sintase

mengkatalisiss reaksi berikut Sukrosa + UDP  fruktosa + UDP-glukosa Fruktosa menjadi tersedia untuk respirasi, dan glukosa di UDP-glukosa dapat dilepas dengan satu atau dua cara yang tidak diperlihatkan di sini. Terbukti bahwa sukrosa sintase merupakan enzim utama yang merombak sukrosa di organ penyimpan pati (sebagai contoh benih dan umbi kentang yang sedang tumbuh) atau di jaringan yang sedang tumbuh cepat, yang mengubah sukrosa terangkut menjadi polisakarida dinding sel. Bagi sel dewasa dan tumbuh lambat, invertase mungkin merupakan enzim yang lebih penting yang merombak sukrosa dan menyediakan glukosa dan fruktosa untuk respirasi. 3. Glikolisis Sekelompok reaksi yang secara bersama disebut glikolisis, mengubah glukosa, glukosa-1-p, atau fruktosa (menjadi bebas oleh reaksi persiapan seperti dijelaskan di atas) menjadi asam piruvat di sitosol.(beberapa reaksi glikolisis juga terjadi di kloroplas dan plastid lainnya, tapi lintasan yang lengkap mungkin tidak). Glikolisis merupakan tahap pertama dari tiga fase respirasi yang sangat berkaitan, diikuti oleh daur krebs dan pengangkutan electron yang terjadi di mitokondria. Reaksi glikolisis sendiri, yangt saat ini diyakini terjadi pada semua organisme hidup, ditemukan antara tahun 1912 dan 1935 oleh para ilmuwan Jerman yang tertarik pada produksi alcohol oleh ragi dan oleh ilmuwan lain yang mempelajari perombakan pati hewan (glikogen) menjadi asam piruvat di sel otot. Istilah glikolisis yang berarti pemecahan gula diperkenalkan pada tahun 1909 untuk maksud perombakan gula menjadi etil alcohol (eranol). Tapi sebagian besar sel akan menghasilkan asam piruvat, bukan etanol, jika mendapat aerasi secara normal. Gula yang lazim dirombak adalah heksosa,

sehingga glikolisis berarti perombakan heksosa menjadi asam piruvat, walaupun sejumlah ahli biokimia hewan menggunakan istilah ini dalam arti perombakan gliogen (pati hewan) menjadi piruvat.Tumbuhan tidak membentuk pati hewan, sehingga istilah glikolisis dapat menyesatkan bagi ahli biologi yang menghubungkannya dengan glikogen, bukan dengan pati atau sukrosa.Bahkan telah disarankan bahwa ahli botani seyogianya menggunakan istilah sukrolisis sebab sukrosa merupakan gula yang paling banyak dibentuk dan ditranslokasi di tumbuhan dan merupakan pemasok yang lazim bagi glukosa dan fruktosa yang digunakan dalam respirasi.Tapi seperti ditekankan dalam pasal 13.2, pati juga memasok glukosa untuk glikolisis dan di amiloplas, glukosa ini sebenanya mencapai sitoplasma (tempat glikolisis berlangsung) sebagian besar dalam bentuk triosa fosfat, bukan sukrosa. Setiap reaksi dalam glikolisis, enzim yang mengkatalisis dan kebutuhan khusus akan activator logam. Tapi, proses keseluruhan (dimulai dengan glukosa) dapat dirangkum sebagai berikut: Glukosa + 2 NAD+ + 2 ADP2- + 2 H2PO4- → 2 piruvat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP3- + 2 H2O

Gambar perubahan karbohidrat menjadi triosa fosfat di kloroplas dan di sitosol

Gambar tahapan glikolisis 1 dan 2

Tahap-tahap glikolisis Tahap I: Investasi Energi 1. Glikolisis diawali dengan reaksi pembentukan senyawa glukosa 6-fosfat dari glukosa. Reaksi tersebut merupakan reaksi yang membutuhka energi yang diambil dari iaktan pemutusan fosfat dari ATP. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim heksokinase dan glukokinase.

Heksokinase dapat ditemukan disemua sel organisme. Enzim ini memiliki spesifitas katalik yang rendah. Hampir semua monosakarida dapat difosforilasi. Aktivitasnya dapat dihambat oleh produknya yaitu glukosa6-fosfat. Glukokinase ditemukan di lever, memiliki spesifitas katalik yang tinggi dan tidak dapat dihambat oleh glukosa-6-fosfat. Enzim ini aktif bila kadar glukosa tinggi di dalam darah. 2. Isomerase glukosa-6-fosfat. Reaksi kedua adalah pembentukan isomer fruktosa-6-fosfat dari glukosa-6-fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh fosfoglukoisomerase.

3. Fosforilasi kedua. Reaksi fosfoilasi fruktosa-6-fosfat menjadi fruktosa-1,6bisfosfat oleh enzim fosfofruktokinase. Reaksi ini berjalan spontan dan merupakan rate limited step pada proses glikolisis. Pada reaksi ini

dibutuhkan 1 mol ATP dan diregulasi secara ketat. Fosfofruktokinase dapat dihambat oleh ATP.

4. Reaksi pemutusan manjadi 2 triosa fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim aldolase yang merupakan kebalikan dari reaksi kondensasi aldol membentuk 2 molekul gliseraldehid 3-fosfat yang selanjutnya mengalami isomerasi membentuk dehidroksiasetonfosfat. Reaksi isomerasi ini dikatalisis oleh enzim triose fosfat isomerase.

5. Isomerisasi triosa fosfat. Hanya gliseraldehid-3-fosfat yang akan diteruskan dalam proses glikolisis, sehingga degan adanya reaksi isomerisasi ini memungkinkan proses glikolisis berjalan sempurna.

Pada akhirnya tahap I glikolisis ini menghasilkan 2 molekul gliseraldehid3-fosfat dan membutuhkan 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.

Tahap II 6. Oksidasi gliseraldehid-3-fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim gliseraldehid-3-fosfat ehidrogenase dengan NAD+ sebagai koenzimnya. Reaksi oksidasi ini terjadi adisi gugus fosfat dan menghasilkan NADH.

Pada tahapini terbentuk pertama kali senyawa yang mengandung energi tinggi.

7. Transfer fosfat untuk membentuk ATP. Senyawa 1,3-bisfosfogliserat merupakan senyawa berenergi tinggi yang selanjutnya gugus fosfat tesebut ditransfer untuk membentuk ATP yang dikatalisisoelh enzim fosfogliserat kinase dengan ko-faktor Mg2+. Enzim ini mirip dengan heksokinase yang mengalami perubahan konformasi yang di induksi oleh substrat. Eaksi ini bersifat reversibel.

8. Perpindahan posisi gugus fosfat. Pada tahap ini terjadi reaksi perpindahan gugus fosfat pada 3-fosfogliserat yang berdaa pada posisi C-3 berpindah ke OH posisi C-2 yang dikatalisis oleh enzim fosfogliserat mutas. Reaksi ini menghasilkan 2-fosfogliserat. Pada katalis residu histidin penting pada transfer fosfat ion dengan memberikan dan menerima gugus fosfat.

9. Pembentukan senyawa berenergi tinggi kedua. Pembentukan senyawa ini dilakukan dengan dehidrasi yang dikatalisis oleh enzim enolas yang memiliki ko-faktor Mg2+. Reaksi ini dapat dihambat oleh fluorida.

10. Pembentukan ATP akhir. Reaksi ini berjalan spontan dan terjadi transfer gugus fosfat dari fosfofenol pirufat ke ADP membentuk ATP. Pelepasan fosfat ion menyebabkan terjadinya ikatan enol yang tidak stabil sehingga akan terkonversi kebentuk keto dan menjadi piruvat reaksi ini dikatalisis

oleh enzim piruvat kinase. Enzim ini memrlukan Mg+ sebagai ko-faktor. Piruvat merupakan hasil akhir glikolisis.

4. Daur Krebs Dinamakan daur krebs untuk menghargai ahli biokimia dari Inggris, Hans A Krabs, yang pada tahun 1937 mengajukan suatu daur reaksi yang menerangkan cara perombakan piruvat pada otot dada burung merpati. Ia menamakan daur tersebut daur asam sitrat, karena asam sitrat merupakan senyawa antara yang penting. Nama lazim lainnya dari daur ini ialah daur asam trikarboksilat (TCA), istilah yang digunakan karena asam sitrat dan asam isositrat mempunyai tiga gugus karboksil. Langkah awal menuju daur krebs menyangkut oksidasi dan hilangnya CO2 dari piruvat dan penggabungan sisa unit asetat 2-karbon dengan senyawa yang mengandung belerang, yakni ko-enzim A (CoA) membentuk asetil CoA (CH3 — C —SCoA) ‖ O

Peran CoA ini dan peran lainnya di daur krebs merupakan alasan penting mengapa belerang termasuk hara esensial. Reaksi dekarboksilasi piruvat ini juga melibatkan bentuk terfosforilasi tiamin (vitamin B1) sebagai gugus prostetik.Keikutsertaan tiamin dalam reaksi ini menjelaskan pentingnya vitamin B1 pada tumbuhan dan hewan.Disamping hilangnya CO2 dua atom hydrogen diambil dari asam piruvat selama pembentukan asetil CoA. Enzim yang mengkatalisis reaksi secara lengkap ialah asam piruvat dehydrogenase, tapi sebenarnya merupakan kompleks

terorganisasi yang mengandung banyak salinan dari lima enzim yang berlainan, tiga diantaranya mengkatalisis dekarboksilasi oksidatif piruvat dan dua lainnya mengatur aktivitas ketiga enzim lainnya. Atom hydrogen yang di ambil dari piruvat akhirnya diterima oleh NADP+ , menghasilkan NADH. Daur krebs melakukan pengambilan beberapa electron dari asam organic antara dan mengangkut electron tersebut ke NAD+ (untuk membentuk NADH) atau ubikuinon (untuk membentuk ubikuinol1). Perhatikan bahwa tidak ada enzim dehydrogenase dari daur ini yang menggunakan NADP+ sebagai penerima electron. Bahkan NADP+ biasanya hamper tak terdeteksi di dalam mitokondria tumbuhan, keadaan yang berlawanan dengan kloroplas, yang dalamnya NADP+ sangat berlimpah, sedangkan NAD+ lebih sedikit. Tidak hanya NADH dan ubikuinol yang merupakan produk penting dari daur krebs, tapi satu molekul ATP dibentuk dari ADP dan Pi selama pengubahan suksinat koenzim A menjadi asam suksinat. (pada hewan mamalia, tapi tidak pada beberapa tumbuhan yang sudah diselidiki, pembentukan ATP pada langkah ini memerlukan GDP dan GTP, keduanya ialah nukleotida guanosin) dua molekul CO2 tambahan dilepaskan selama reaksi daur krebs ini, sehingga terjadi kehilangan neto kedua atom karbon dari asetat berikutnya dari asetil CoA. Pelepasan CO2 pada daur krebs menjelaskan adanya produk CO2 pada persamaan rangkuman untuk respirasi, tapi tidak ada O2 yang diserap selama reaksi daur krebs. Fungsi utama daur krebs ialah sebagai berikut: 1. Reduksi NAD+ dan ubikuinon menjadi electron donor NADH dan ubikuinol yang akan di oksidasi untuk menghasilkan ATP. 2. Sintesis langsung ATP dalam jumlah terbatas (satu ATP untuk setiap piruvat yang dioksidasi). 3. Pembentukan kerangka karbon yang dapat digunakan untuk mensintesis asam amino tertentu yang kemudian akan diubah menjadi molekul yang lebih besar. Mengingat dua piruvat dihasilkan dalam glikolisis dari tiap glukosa, maka reaksi keseluruhan daur krebs dapat ditulis sebagai berikut :

2 piruvat + 8NAD+ + 2 ubikuinom + 2 ADP2- + 2 H2PO4- 4 H2O → 6 CO2 + 2 ATP3- + 8 NADH + 8 H+ + 2 ubikuinol 5. Sistem Pengangkutan Elektron dan Fosforilasi Oksidatif NADH yang terdapat di mitokondria berasal dari tiga proses utama : daur krebs, glikolisis, dan oksidasi glisin yang dihasilkan selama fotorespirasi. Bila NADH dioksidasi akan dihasilkan ATP. Dengan cara yang serupa, ubikuinol yang dihasilkan oleh asam suksinat dihidrogenase dalam daur krebs, juga dioksidasi untuk menghasilkan ATP. Walaupun oksidasi ini melibatkan pengambilan O2 dan pembentukan H2O, baik NADH ataupun ubikuinol tidak dapat bergabung secara langsung dengan O2 untuk membentuk H2O.yang terjadi elektronnya ditransfer melalui beberapa senyawa antara sebelum H2O terbentuk. Pembawa electron ini merupakan system pengangkutan electron mitokondria.Pengangkutan electron dimulai dari pembawa yang secara termodinamika sulit untuk direduksi (yaitu yang mempunyai potensial reduksi negative) ke pembawa yang mempunyai kecenderungan yang lebih besar untuk menerima electron (mempunyai potensial reduksi yang lebih tinggi, bahkan positif).Oksigen mempunyai kecenderungan terbesar untuk menerima electron dan kenyataannya memang demikian, membentuk H2O.setiap pembawa dari system tersebut biasanya menerima electron hanya dari pembawa sebelumya yang terdekat. Mereka diatur dalam bentuk alur di dalam dan terdapat beberapa ribu system pengangkutan electron di tiap mitokondria. Seperti pada sistem pengangkutan electron pada kloroplas, yakni transfer electron dari molekul air, system mitokondria melibatkan sitokron (sampai empat jenis b dan dua jenis c) dan beberapa kuinon, khususnya ubi kuinon. Juga terdapat beberapa flavoprotein (riboflavin yang mengandung protein) beberapa protein berisi belerang yang serupa dengan feredoksin, sebuah enzim sitokrom oksidase, dan beberapa pembawa electron lainnya yang belum di identifikasi.Sitokrom dan sitokrom oksidase mengandung besi sebagai bagian dari gugus heme.Flavoprotein mengandung flavin adenine dinukleotida (FAD) atau serupa flavin monokleutida (FMN) sebagai gugus prostetik yang menempel.Banyak diantara pembawa electron ini yang mempunyai mitra di kloroplas, masing-masing mempunyai struktur yang khas.

Sitokrom dan protein Fe-S dapat menerima atau mentransfer hanya satu electron setiap kali. Ubikuinon seperti pastokuinon kloroplas menerima dan mentransfer dua electron dan dua H+; hal yang sama juga terjadi pada flavoprotein. Sifat ubikuinon dan flavoprotein sangat penting dalam pembentukan gradient pH antara matriks (pH sekitar 8,5) yang melintasi membrane dalam ke ruang antarmembran (pH mendekati &), sebab gradient pH ini mendorong pembentukan ATP dari ADP dan Pi menurut teori kemiosmotik Mitchel pada pasal 10.8. Di mitokondria pembentukan ATP dari ADP dan Pi secara tidak langsung didorong oleh kecenderungan O2 secara termodinamika untuk tereduksi, dan proses ini disebut fosforilasi oksidatif. Seperti di kloroplas, fosforilasi dikatalisis oleh faktor perangkai atau ATP sintase. ATP sintase mitokondria ini mempunyai tangkai dan pentul seperti pada ATP sintase tilakoid, dan meruak melintasi membrane dalam.Pentulnya menghadap dan meruak ke matriks, sedangkan tangkainya meruak keluar menuju ruang antar membrane antara membrane dalam dan membrane luar. ATP dibentuk pada pentul di dalam matriks kemudian di angkut menuju sitosol oleh transport balasan dengan ADP berikutnya. ATP kemudian dipindah dengan segera melintasi membrane luar yang jauh lebih permeable menuju sitosol, tempat ATP menjalankan berbagai fungsinya.Membrane luar mempunyai porin, saluran yang melakukan molekul dengan bobot molekul kurang dari sekitar 5 kDa, sehingga nukleotida dan berbagai metabolit lainnya dapat melewati membrane itu dengan mudah. Fosfat juga perlu untuk pembentukan ATP dan fosfat dibawa melintasi membrane dalam yang jauh kurang permeable ke dalam matriks oleh dua system transport balasan yang secara bersamaan membawa OH- atau asam dikarboksilat, misalnya malat keluar dari matriks menuju ruang antar membrane. Sebuah system transport balasan serupa mengkatalisis pertukaran OH- dan piruvat, dan hal ini mungkin dapat menjelaskan bagaimana piruvat dan glikolisis masuk ke dalam matriks, tempat piruvat yang di oksidasi oleh piruvat dehydrogenase.

Gambar 13.9 menunjukkan lintasan utama pengangkutan electron di mulai dengan NADH + H+ yang terbentuk di matriks oleh enzim daur krebs. Kedua electron dan kedua H+ menuju flavorprotein yang mengandung FMN, yang lalu membawa electron ke protein Fe-S. Besi dalam Fe-S ini dapat menerima satu electron pada satu saat dan tidak menerima H+; keuda H+ ditransfer ke dalam ruang antarmembran. Ini merupakan langkah pertama dari empat langkah yang dilakukan spasang H+ untuk pindah dari matriks melewati membrane dalam mitokondria bersama sama dengan dua electron. Fe-S tereduksi akan memindahkan electron ke ubikuinon (UQ) yang dengan 2H+ yang diambil dari matriks akan tereduksi ,menjadi uikuinol (UQH2). Dari UQH2 , electron akan pindah satu persatu menuju ke berbagai sitokron b. kedua H+ dari UQH2 ditransfer keluar ke ruang antarmembran. Protein Fe-S lainnya akan menerima dan mentransfer electron ke Fe3+ di sitokrom c1 dengan pengeluaran ketiga dari sepasang H+. dari sitokrom c1, electron diterima oleh sitokrom c, kemudian ditransfer ke O2 membentuk H2O yang dikatalisis oleh sitokrom oksidase. Oksidase ini mengandung komponen a dan a3 yang tak terpisahkan dan juga beberapa polipeptida lainnya yang mengandung total dua ion lembaga yang menjalani oksidasi reduksi antara bentuk Cu+ dan Cu2+. Kedua tembaga tersebut terlibat dalam pengangkutan electron antara komponen besi dari sitokrom a dan a3. Menyertai oksidasi sitokrom c oleh sitokrom oksidase, sepasang H+ lainnya di pindah dari matriks ke ruang antar membrane, tapi cara berlangsungnya masih belum jelas. Walaupun nilai potensial reduksi tidak diperlihatkan , seluruh ∆Ψ’o berasal dari NADH padaΨ’o- 0,32 V ke Ψ’o+0,82 V,perubahan seluruhnya +1,14 V. ini meupakan perubahan yang sama dengan yang terjadi selama pengangkutan electron fotosintesis dari H2O ke NADP+, tapi di mitokondria tanda Ψ’o adalah positif dan energy sebanyak 220 kJ dilepaskan untuk setiap mol NADH dari daur krebs yang di oksidasi. Pengangkutan empat pasang H+ melewati membrane kemungkinan menyebabkan gradient pH yang cukup bagi pembentukan tiga ATP oleh ATP sintase.

Berbagai kajian menggunakan mitokondria tumbuhan yang diisolasi menunjukkan bahwa untuk tiap NADH daur krebs yang dioksidasi, tiga ATP akan terbentuk. Untuk tiap NADH yang dilepaskan pada glikolisis dan untuk tiap ubikuinol yang dibentuk pada daur krebs oleh oksidasi suksinat, hanya dua ATP yang terbentuk. Alasannya adalah molekul NADH dan UQH2 menyumbang electron ke rantai pengangkutan hanya setelah pasangan pertama H+ di lintasan utama telah dilewatkan menuju ruang antarmembran, sehingga tercipta perbedaan pH yang lebih kecil sepanjang membrane ketika mereka dioksidasi. Untuk setiap NADH yang berasal dari glikolisis di sitosol, dua flavoprotein mengandung NADH dehydrogenase akan muncul di permukaan luar membrane dalam.Selanjutnya, NADPH (sebagai hasil dari lintasan pentosa fosfat) dapat dioksidasi oleh dehidrogenase serupa. Kemampuan mitokondria tumbuhan untuk mengoksidasi NADH dan NADPH sitosol secara langsung, tidak terdapat pada mitokondria hewan. (Hewan mempunyai enzim transhidrogenase yang mengangkut elektron dari NADPH ke NAD+ membentuk NADP+ dan NADH, dan mereka menggunakan pembawa khusus untuk memindahkan pasangan elektron dari NADH ke matriks.) Ubikuinol yang dihasilkan di daur Krebs dioksidasi serupa dengan yang di mitokondria tumbuhan maupun hewan; elektronnya diambil dari sitokrom b, sehingga H+nya akan melintasi membran ke ruang antarmembran. Dua ATP terbentuk dari setiap ubikuinol yang berasal dari suksinat di daur Krebs. Fosforilasi oksidatif dari semua substrat mitokondria dilepas dari pengangkutan.elektron oleh berbagai senyawa pencerai, sama seperti di kloroplas (pasal 10.8). Sebagian besar pencerai menetralkan gradien pH dengan membawa H+ ke dalam matriks, mencegah fosforilasi oksidatif, tapi tetap mempertahankan kelangsungan pengangkutan eléktron Kadangkala pengangkutan ini berlangsung lebih cepat, kemungkinan karena adanya 'tekanan balik dari gradien pH (contohnya, pengangkutan H+ yang menyertai aliran elektron berlangsung lebih mudah bila konsentrasi H+ di tempat yang menerima H+ lebih rendah). Dinitrofenol menceraikan lebih efektif di mitokondria daripada di kloroplas dan demikian juga berbagai senyawa

lainnya. Pada konsentrasi yang tepat, dinitrofenol sangat mempercepat pengangkutan elektron dan respirasi dikarenakan oleh efek penceraiannya yaitu memperkecil gradien pH sepanjang membran dalam dan memungkinkan H+ diangkut keluar dengan lebih mudah oleh faktor perangkai ATPase. Ion amonium, yang melepas secara kuat fosforilasi fotosintesis di kloroplas oleh kerja proton 'perahu ferry’ seperti dinitrofenol, merupakan penghambat yang jauh kurang potensial daripada fosforilasi oksidatif di mitokondria. Bahkan, mitokondria toleran terhadap NH4+ sampai dengan 20 mM. Sebagian dari ketahanan ini berhubungan dengan melimpahnya NH4+ di dalam mitokondria yang timbul (di daun) dari dekarboksilasi oksidatif glisin selama fotorespirasi. Ada juga senyawa lain yang menghambat

fosforilasi oksidatif atau

pengangkutan elektron tanpa menceraikan kedua proses itu. Sebagai contoh, dua penghambat fosforilasi yang potensial ialah oligomisin, antibiotika yang dihasilkan oleh spesies Streptomyces, dan asam untuk bongkrekat, antibiotika dihasilkan oleh spesies frukto Pseudomonas yang tumbuh pada ampas kelapa yang terinfeksi jamur yang dikenal sebagai bongkrek" oleh orang Indonesia (Goodwin dan Mercer, 1983). Oligomisin menghambat pembentukan ATP oleh ATPase, sedangkan asam bongkrekat menghambat pembentukan ATP dengan menghadang sistem transpor balasan yang membawa ADP dari ruang antarmembran menuju matriks dalam pertukaran dengan ATP. Tanpa ADP ini fosforilasi oksidatif tidak akan berlangsung. Antimisin A juga dari Streptomyces menghadang pengangkutan electron pada atau dekat tahap sitokrom b ke protein Fe-S. hal ini mempertahankan fosforilasi, tapi tidak menceraikan kedua proses itu. 6. Perhitungan energi glikolisis, daur Krebs, dan sistem pengangkutan elektron Bila seluruh heksosa dioksidasi menjadi CO2 pe dan H2O menggunakan tiga proses tersebut, maka reaksi 13.1 akan menjelaskan keseluruhan reaksinya. Tapi, reaksi 13.1 mencantumkan energi sebagai produk, dan kita sekarang tahu bahwa sebagian besar energi tersebut terperangkap dalam ATP. Namun, berapa banyak yang terdapat di ATP dan berapa yang hilang sebagai bahang? Untuk menjawab pertanyaan ini, perhatikan bahwa glikolisis menghasilkan dua ATP

dan dua NADH untuk tiap heksosa yang digunakan tiap NADH yang dioksidasi oleh pengangkutan elektron akan menghasilkan dua ATP, sehingga glikolisis menyumbang total enam ATP per heksosa. Daur Krebs menyumbang dua ATP per heksosa atau per dua piruvat (reaksi 13.9) bila suksinil CoA dipecah menjadi suksinat dan CoASH (gambar 13.8). Daur ini juga menghasilkan delapan NADH per heksosa di matriks mitokondria; melalui fosforilasi oksidatif, tiap NADH ini menghasilkan tiga ATP, atau 24 per heksosa. Setiap ubikuinol dari daur Krebs menghasilkan dua ATP oleh fosforilasi oksidatif, atau empat per heksosa (dua piruvat: lihat reaksi 13.9). Jadi, total sumbangan daur Krebs ialah 30 ATP. Ditambah 6 dari glikolisis menjadikan total 36 ATP per heksosa, yang seluruhnya direspirasi oleh proses tersebut. Kita juga dapat memperkirakan efisiensi respirasi dalam hal berapa energi di glukosa yang dapat ditangkap pada ikatan akhir fosfat ATP. Perubahan energi bebas Gibb baku (∆G'o) untuk oksidasi lengkap satu mol glukosa atau fruktosa pada pH 7 adalah -2870 kJ (-686 kcal), jadi kita gunakan angka ini sebagai energi pereaksi dari respirasi. Di antara produk, hanya energi pada fosfat akhir ATP yang merupakan energi tambahan yang berguna. ∆G'o untuk hidrolisis fosfat akhir di dalam tiap mol ATP ialah sekitar -31,8 kJ (-7,6 kcal), atau -1140 kJ pada 36 mol ATP. Jadi, efisiensinya ialah sekitar -1140/2870 atau 40%. Sisanya yang 60% hilang dalam bentuk bahang.

7. Lintasan pentosa fosfat Setelah tahun 1950, para ahli fisiologi tumbuhan secara bertahap mulai menyadari bahwa glikoslisis dan daur Krebs bukanlah satu-satunya reaksi tumbuhan dalam memperoleh energi dari oksidasi gula menjadi karbondioksida dan air. Karena senyawa-antaranya adalah gula fosfat lima-karbon, maka rangkaian reaksi alternatif itu biasanya disebut lintasan pentosa fosfat (PPP). Lintasan itu juga disebut lintasan pentosa oksidatif, pirau heksosa monofosfat, dan lintasan fosfoglukonat. Beberapa senyawa PPP juga anggota daur Calvin, tempat gula fosfat disintesis di kloroplas. Perbedaan utama antara daur Calvin dan PPP ialah pada

PPP gula fosfat tidak disintesis melainkan dirombak. Dalam hal ini, reaksi PPP serupa dengan reaksi glikolisis. Disamping itu, glikolisis dan PPP juga mempunyai pereaksi tertentu yang lazim, dan keduanya terjadi terutama di sitosol, sehingga kedua lintasan saling terjalin. Satu perbedaan penting ialah di PPP penerima elektronnya selalu NADP+, sedangkan di glikolisis penerima elektronnya ialah NAD+. Garis besar reaksi PPP tertera pada gambar . Reaksi pertama melibatkan glukosa-6-fosfat, yang berasal dari perombakan pati oleh pati fosforilase, diikuti oleh kerja fosfoglukomutase di glikolisis; dari penambahan fosfat akhir pada ATP ke glukosa; atau secara langsung dari reaksi fotosintesis. Senyawa ini segera dioksidasi (didehidrogenase) tak-balik oleh glukosa-6fosfat dehidrogenase menjadi 6-fosfoglukono-lactona (reaksi 1). Laktona ini secara cepat dihidrolisis oleh laktokinase menjadi 6-fosfoglukonat (reaksi 2); kemudian, senyawa terakhir ini segera didekarboksilasi secara oksidatif menjadi ribulosa-5-fosfat oleh 6-fosfoglukonat dehidrogenase (reaksi 3). Perhatikan bahwa reaksi (1) dan (3) dikatalisis oleh dehidrogenase yang sangat khusus untuk NADP+ (bukan NAD+ ). Lagi pula, glukosa-6-fosfat dehidrogenase sangat dihambat secara nir-saing (secara alosterik) oleh NADPH. Di kloropas tempat isozim dari enzim tersebut berada dan tempat berlangsungnya kegiatan PPP saat gelap, enzim tersebut menjadi tidak aktif oleh cahaya; oleh karena itu, akan menghambat perombakan glukosa-6-fosfat dan menyebabkan daur Calvin berlangsung lebih cepat. Salah satu mekanisme penonaktifan oleh cahaya ialah pembentukan penghambat NADPH dari NADP+ oleh sistem pengangkutan-elektron tilakoid; yang lainnya ialah sistem feredoksin-tioredoksin yang diterangkan pada pasal 11.5. Reaksi berikutnya dari PPP menghasilkan pentosa fosfat dan dikatalisis oleh isomerase (reaksi 4) dan epimerase (reaksi 5) yang merupakan salah satu jenis isomerase. Reaksi ini dan reaksi berikut yang serupa atau sama dengan beberapa reaksi di daur Kelvin (gambar 11.3). Enzim yang penting ialah transketolase (reaksi 6 dan 8) dan transadolase (reaksi 7). Perhatikan bahwa ketiga reaksi terakhir membentuk 3-fosfogliseraldehid dan fruktosa-6-fosfat

yang merupakan senyawa antara pada glikolisis. Jadi, PPP dapat dianggap rute alternatif menuju senyawa yang akan dirombak oleh glikolisis. Terdapat

tiga

fungsi

penting

lain

dari

PPP.

Pertama,

dihasilkannya NADPH; ini penting karena nukleotida tersebut dapat dioksidasi oleh mitokondria tumbuhan membentuk ATP. Selanjutnya, NADPH digunakan secara khusus pada berbagai reaksi biosintesis yang memerlukan donor elektron. Bagi semua reaksi tersebut (misalnya, pembentukan asam lemak dan beberapa isoprenoid), NADH tidak berfungsi, walaupun pada beberapa reaksi reduksi tertentu lainnya dapat berfungsi dengan baik. Kedua, dihasilkannya eritrosa-4-fosfat pada reaksi 7 atau 8, dan senyawa empat-karbon ini penting sebagai pereaksi awal bagi pembentukan berbagai senyawa fenol, seperti antosianin dan lignin. Ketiga, dihasilkan ribulosa-5-fosfat; yang merupakan peran zat yang dibutuhkan pada unit ribosa dan deoksiribosa nukleotida, termasuk

yang

ada

di

RNA

dan

DNA.

Jelas

bahwa

PPP

sama pentingnya bagi tumbuhan seperti glikolisis dan daur Krebs. 8. Produksi Molekul Melalui Respirasi Yang Digunakan Untuk Proses Sintesis Pada awal bab ini telah dinyatakan bahwa respirasi penting bagi sel karena banyak senyawa yang terbentuk dapat diubah menjadi senyawa lain yang diperlukan untuk pertumbuhan. Banyak diantaranya merupakan molekul besar termasuk lipid, protein, klorofil, dan asam nukleat. ATP diperlukan untuk membentuk senyawa tersebut, dan elektron yang terdapat di NADH dan NADPH sering juga dibutuhkan. Proses lain yang membutuhkan NADH dalam jumlah banyak adalah reduksi nitrat menjadi nitrit. Pada pasal sebelumnya, ditekankan pentingnya PPP untuk menghasilkan NADPH ribulosa-6-fosfat dan eritrosa-4-fosfat bagi reaksi anabolik. Peranan glikolisis dan daur Krebs dalam menghasilkan kerangka karbon untuk sintesis molekul yang lebih besar dirangkum pada gambar 13.12. Bila mempelajari gambar ini harus diingat bahwa jika kerangka karbon dikeluarkan dari lintasan respirasi seperti yang diperlihatkan di situ, tidak semua karbon dari substrat respirasi awal (misalnya, pati) akan dilepaskan sebagai CO2 dan tidak semua elektron yang biasanya ditransfer oleh NADH atau NADPH akan bergabung

dengan O2 membentuk H2O. Namun, beberapa molekul substrat secara keseluruhan

dioksidasi

sebab

penggunaan

kerangka

karbon

untuk

membentuk molekul yang lebih besar akan efektif hanya bila fosforilasi oksidatif menghasilkan pasukan ATP yang cukup. Hal penting lain ialah bila asam organik pada daur Krebs diambil dengan mengubahnya menjadi, misalnya, asam aspartat, asam glutamat, klorofil, dan sitokrom, maka pembentukan kembali asam oksaloasetat akan dihambat. Karena itu, pengeluaran

asam

organik

dari

daun

akan

segera

menyebabkan

daur terhenti jika tidak ada mekanisme lain untuk mengganti oksaloasetat. (Mekanisme pengganti atau pengisian seperti ini dinamakan anaplerotik oleh biokimiawan). Pada semua tumbuhan, baik siang maupun malam, terdapat penambahan CO2 (HCO3-) menjadi oksaloasetat oleh karboksilase dan malat dehidrogenase (lihat reaksi 11.3 dan gambar 13.12 kiri). Reaksi ini penting bagi proses pertumbuhan, sebab mereka mengganti asam organik yang diubah menjadi molekul lebih besar dan memungkinkan daur Krebs terus berlangsung. 9. Pengendalian biokimia respirasi Untuk memahami pengaruh lingkungan terhadap respirasi pada berbagai tumbuhan dan bagian tumbuhan yang diterangkan pada pasal berikut, perlu dipelajari beberapa hal tentang pengendalian biokimiawi utama dan bagaimana pengendalian itu berlangsung. Untuk membantu memahami pengendalian tersebut, perhatikan bahwa tumbuhan yang sedang berfotosintesis harus mengatur berapa banyak karbohidrat yang disimpan dalam bentuk sukrosa dan pati, misalnya, dibandingkan dengan berapa banyak yang di respirasikan dan berapa

banyak

yang

digunakan

dalam

proses

pertumbuhan yang memerlukan pembentukan membran dan dinding sel. Salah satu titik pengendalian yang masuk akal mestinya dekat awal glikolisis karena heksosa fosfat yang digunakan dalam glikolisis dapat digunakan dalam karbohidrat cadangan atau di dinding sel memang titik pengendalian yang penting terletak di sana. Pengendalian metabolisme lainnya yang penting mungkin bergantung pada konsentrasi ATP, ADP, dan Pi. Karena ATP merupakan satu-satunya produk penting dalam respirasi lengkap, tingkat ADP dan Pi tentunya

membantu

mengendalikan

kecepatan

pembentukan

ATP.

Pembentukan ATP luar biasa cepat, walaupun konsentrasi ATP di sel hanya berukuran milimol atau kurang. Pradet dan Raymond (1983) yang menghitung bahwa 1 gram pupuk akar jagung yang sedang aktif bermetabolisme mengubah sekitar 5 gram ADP menjadi ATP setiap hari. Tingkat produksi yang tinggi ini berarti bahwa tingkat penggunaannya juga tinggi; kalau tidak, sel akan segera penuh dengan ATP. De Visser (1987), menghitung bahwa dalam setiap sel tumbuhan

semua

ATP

diubah

menjadi

ADP

dan Pi ( dan balik lagi) sampai beberapa kali permenit. Penggunaan ATP berlangsung dalam berbagai cara diantaranya ialah proses yang bergantung pada pertumbuhan, seperti penyerapan linarut dan pembentukan

protein,

pati,

sukrosa

,

frukta,

polimer

dinding

sel,

asam nukleat dan lipid. Ini berarti bahwa ada hubungan penting antara pasokan ATP

dan

pertumbuhan

respirasi

diperlukan

bagi

tumbuhan

karena

menyediakan ATP, tapi bersamaan dengan itu pertumbuhan menggunakan ATP dan membentuk kembali ADP dan Pi yang diperlukan respirasi untuk membentuk ATP lagi. Pertumbuhan dan respirasi saling bergantung bahkan sel yang tak tumbuhan memerlukan ATP untuk mempertahankan diri, dan meminimumkan entropi di dalam sel. Seberapa penting ATP, ADP, dan Pi sebagai

bahan

pengendali.

10. Muatan Energi Pada tahun 1968 David Atkinson menerbitkan sebuah artikel yang menerangkan berbagai alasan mengapa ATP, ADP, dan AMP merupakan pengendali utama respirasi. Dia menyadari bahwa ATP mempunyai dua ikatan fosfat

energi-tinggi,

mempunyainya,

dan

ADP

mempunyai

bahwa

enzim

satu,

sedangkan

kloroplas

dan

AMD

tidak

mitokondria

yang sangat aktif yang dinamakan adenilat kinase mengkatalisis reaksi terbalik yang bebas ( ATP + AMP

2 ADP) yang mempertahankan nukleotida

tersebut dalam kesetimbangan. Dia mengajukan hipotesis bahwa nilai yang didefinisikan sebagai muatan energi (EC) yang bergantung pada konsentrasi nukleotida mestinya penting dalam pengendalian metabolik:

1

(𝐴𝑇𝑃)+ 2(𝐴𝐷𝑃)

EC = (𝐴𝑇𝑃)+ (𝐴𝐷𝑃)+ (𝐴𝑀𝑃) Untuk Hampir semua sel aktif yang diselidiki nilainya berkisar antara 0,8 dan 0,95, tapi nilai yang lebih rendah ditemukan pada sel anaerobik atau sel teracuni. Atkinson menyatakan bahwa enzim penting pada lintasan metabolik yang menggunakan ATP (misalnya, sintesis polisakarida) haruslah diaktifkan secara alosterik oleh nilai EC yang tinggi. Enzim utama dalam lintasan yang menghasilkan kembali ATP haruslah dihambat secara alosterik oleh nilai EC yang tinggi. Dia memperkirakan bahwa enzim seperti ini mengikat dua atau lebih nukleotida pada sisi alosterik dengan afinitas yang tinggi, sehingga rasanya lebih bergantung pada nisbah konsentrasi nukleotida daripada terhadap konsentrasi mutlak satu nukleotida saja. Berbagai hasil penelitian yang menggunakan enzim dari sel hewan dan beberapa mikroba sesuai dengan nilai EC yang terukur, tapi beberapa lainnya tidak. Banyak penyelidikan tentang pentingnya EC di dalam tumbuhan saat ini dilaksanakan, tapi hanya sedikit enzim tumbuhan yang responsif terhadap EC seperti yang diperkirakan Atkinson. Lebih lanjut, nilai EC di dalam daun tetap konstan

bila

tumbuhan

dipindahkan

dari

cahaya

ke

gelap

atau sebaliknya, walaupun kita tahu bahwa biosintesis pati pada daun (penggunaan ATP) terjadi hanya dalam keadaan terang, dan respirasi (pembentukan ATP) lebih pentingbdibandingkan dengan biosintesis pada keadaan gelap. Juga lebih diketahui bahwa cahaya mengaktifkan beberapa enzim fotosintesis, agak cepat tak bergantung pada EC. Cahaya juga menonaktifkan glukosa-6-fosfat dehidrogenase kloroplas, enzim pembatas laju PPP, seperti disebut diatas. Kesimpulannya ialah bahwa tumbuhan nampak mempunyai mekanisme pengaturan yang penting yang berbeda dengan muatan energi, sedangkan nilai EC penting dalam beberapa kasus. Akan dijelaskan beberapa mekanisme pengendalian lainnya, pertamatama ditekankan pada glikolisis, tempat ditemukannya pengendalian respirasi yang paling jelas. 11. Pengaturan glikolisis

Sukrosa, pati, dan fruktan merupakan sumber utama substrat untuk glikolisis dan tidak ada enzim yang mengkatalisis polisakarida tersebut yang dikendalikan secara alosterik oleh substrat atau produk respirasi. Tapi, hormon tertentu (khususnya giberelin) menginduksi hidrolisis cadangan makanan ini menjadi

heksosa

yang

digunakan

dalam

glikolisis. Umumnya, jika heksosa melimpah glikolisis dan tahap lain respirasi berlangsung lebih cepat dibandingkan dengan bila heksosa tidak banyak. ATP-fosfofruktokinase (ATP-PFK) dapat bertindak sebagai enzim pertama glikolisis, dan nampak merupakan enzim yang peka terhadap pengendalian metabolik penting. ATP-PFK mengkatalisis pembentukan fruktosa-1,6-bisfosfat

(gambar

1

3.5).

Reaksi

ini

merupakan

tahap pertama dari glikolisis yang melibatkan sebuah heksosa fosfat yang juga tidak dapat digunakan untuk membentuk sukrosa atau pati, sehingga ini menunjukkan suatu pengendalian terhadap keseluruhan lintasan glikolisis. Aktivitas ATP-PFK dihambat oleh ATP, PEP, dan asam sitrat, tapi ditingkatkan oleh Pi. ADP dan AMP biasanya agak menghambat. Penghambat oleh ATP, PEP, dan asam sitrat yang dibentuk dari atau selama glikolisis nampaknya merupakan cara yang logis untuk mencegah produksi berlebih senyawa tersebut. Pengaktifan oleh Pi juga diharapkan karena Pi digunakan di dalam glikolisis bersamaan dengan fruktosa-1,6-bisfosfat, tapi penghambatan oleh ADP dan AMP tidak diharapkan dan tidak sesuai dengan pengendalian oleh muatan energi. Pengatur penting lainnya dari glikolisis ialah nisbah NAD+ / NADH, karena NAD+ merupakan bahan esensial bagi glikolisis, sedangkan NADH ialah produknya. Hal ini juga berlaku untuk daur Krebs dan sistem pengangkutan

elektron.

Sebab

O2

sangat

penting untuk mengoksidasi NADH dan membuat kembali NAD+ , maka airasi yang baik akan menguntungkan glikolisis, daur Krebs dan sistem pengangkutan elektron. Banyak yang telah diketahui akhir-akhir ini tentang pengendalian glikolisis; ada dua penemuan penting. Yang pertama ialah penemuan bahwa

tumbuhan mengandung Ppi-PFK dan enzim ini (bersama dengan PFK yang bergantung pada ATP) mengkatalisis pembentukan fruktosa-1,6-bifosfat dari fruktosa-6-fosfat (gambar 13.5). (Hampir semua hewan tidak memiliki PpiPFK, tapi beberapa mikroba memilikinya). Yang kedua ialah penemuan bahwa tumbuhan seperti sebagian besar organisme lainnya, yang mengandung fruktosa-2,6-bifosfat. Fruktosa-2,6-bisfosfat terbukti sebagai pemacu potensial bagi Ppi-PFK, sehingga menguntungkan pembentukan fruktosa-1,6-bisfosfat. Enzim tersebut juga menghambat enzim fruktosa-1,6-bisfosfatase di sitosol yang menghidrolisis fruktosa-1,6-bisfoasfat kembali menjadi fruktosa-6-fosfat, sehingga penghambatan ini sangat mendorong pembentukan fruktosa-1,6bisfosfat dan karena itu juga mendorong dimulainya glikolisis. Perhatikan juga bahwa jika glikolisis didorong, lalu pembentukan sukrosa akan ditekan karena kedua proses tersebut saling bersaing mendapatkan fruktosa-1,6-bisfosfat yang sama di sitosol. Persaingan ini mungkin merupakan pengendalian utama yang menentukan apakah sukrosa direspirasikan atau ditranslokasikan ke bagian lain dari tumbuhan. Hal ini bergantung pada perubahan tingkat fruktosa-2,6-fosfat yang cepat di sitosol yang lazimnya hanya 1 sampai 10 mikrometer. 12. Pengendalian respirasi di mitokondria Seperti dijelaskan di atas, respirasi di mitokondria terdiri atas daur Krebs, sistem pengangkutan elektron, dan fosforilasi oksidatif. Jelasnya, terdapat berbagai kemungkinan titik pengendalian dalam ketiga proses yang berkaitan ini. Dalam ulasan tentang hal ini, Dry dkk 1987 menyimpulkan bahwa faktor pengendali utama ialah konsentrasi ADP di dalam mitokondria. Jika konsentrasi

ADP

cukup

tinggi,

maka

fosforilasi

oksidatif (pembentukan ATP dari ADP dan Pi) berlangsung cepat, pengangkutan elektron menuju oksigen dan seluruh daur Krebs berlangsung lebih cepat; dalam batasan agak lebar, nilai EC tidak berpengaruh. Hal ini berarti bahwa laju respirasi di mitokondria bergantung pada kemampuan mitokondria untuk mengangkut ATP keluar menuju sitosol, mengubah ATP kembali

menjadi

ADP

dalam

proses

biosintetik

dan

pertumbuhan, dan kemudian mengangkut kembali ADP ke dalam mitokondria, tempat senyawa ini digunakan kembali untuk membentuk lebih banyak ATP.

Sering ditemukan bahwa sel, organ, atau jaringan yang tumbuh dengan cepat juga melakukan respirasi dengan cepat, dan salah satu alasan penting ialah bahwa pertumbuhan memerlukan demikian banyak hidrolisis ATP kembali ke ADP dalam reaksi yang bergantung energi. Bukti yang mendukung cara pengendalian yang lain muncul akhir-akhir ini. Pengendalian ini merupakan pengaturan tahap pertama dalam daur Krebs: oksidasi

piruvat

oleh

kompleks

piruvat

dehidrogenase,

kompleks ini mengandung lima enzim yang berbeda, dua diantaranya mengandung aktivitas ketiga enzim lainnya. Salah satu enzim pengatur merupakan kinase, yang menggunakan ATP untuk memodulasi gugus hidroksil dari berbagai gugus residu asam amino threonin pada bagian tertentu dari enzim piruvat dehidrogenase. Fosforilasi ini segera menonaktifkan enzim, sehingga daur Krebs terhenti. Enzim pengatur kedua, sebuah fosfatase, menghidrolisis

fosfat

agar

lepas

dari

treonin

dan

mengaktifkan

kembali enzim itu, sehingga daur Krebs dapat mengoksidasi lagi piruvat. Karena itu, jika tingkat ATP di mitokondria tinggi dan jika kinase aktif, daur Krebs terhenti untuk menghasilkan lebih sedikit ATP sampai beberapa fosfat dilepaskan lagi-lagi tidak begitu penting. Salah satu faktor penting yang mengendalikan apakah piruvat dehidrogenase difosforilasi (tak aktif) atau didefosforilasi (aktif) ialah konsentrasi piruvat di mitokondria. Piruvat yang melimpah akan melambatkan fosforilasi, mempertahankan dehidrogenase lebih aktif, dan memungkinkan daur

Krebs

berlangsung

terus.

Ringkasnya,

nampak

bahwa

jika

ATP itu melibatkan daur Krebs dan karena itu melambatkan semua proses respirasi berikutnya di mitokondria. Tapi, melimpahnya piruvat yang terbentuk di glikolisis dapat mengatasi sebagian efek akibat tingkat ATP tinggi dan dapat membantu mempertahankan kelangsungan respirasi mitokondria. 13. Pengaturan lintasan pentosa fosfat Telah dijelaskan bahwa enzim pembatas laju PPP yang pertama adalah glukosa-6-fosfat dehidrogenase dan bahwa di kloroplas isoenzim yang ada dihambat oleh NADPH terbentuk saat terang dan dinonaktifkan pada keadaan terang oleh sistem feredoksin-tioredoksin. Mungkin isozim yang terdapat di

sitosol juga dihambat oleh NADPH; meskipun isozim enzim di sitosol ini NADP+

memerlukan

sebagai

substrat.

Oleh

karena

itu,

setiap

proses yang mendorong perubahan NADPH ke NADP+ tentu mempercepat PPP. Dua proses tersebut ialah oksidasi NADPH oleh sistem pengangkutan elektron dan oksidasi selama biosintesis asam lemak serta senyawa isoprenoid ,misalnya, karotenoid dan sterol. 14. Faktor-faktor yang mempengaruhi respirasi a. Substrat Respirasi tergantung pada ketersediaan subtrat, dan tumbuhan pada persediaan pati, fruktan dan gula yang rendah, laju respirasinya juga rendah. Tumbuhan yang kekurangan gula jika diberi gula sering dengan nyata menunjukkan kenaikan respirasi1. Daun-daun yang terlindung dan yang terdapat di bagian yang lebih bawah, biasanya respirasinya lebih rendah dari daun yang terdapat di bagian lebih atas yang terdedah pada tingkat cahaya lebih tinggi. Perbedaan dalam kandungan pati dan gula hasil laju fotosintesis yang tidak sama rupa-ruoanya merupakan sebab lebih rendahnya laju respirasi daun-daun yang terlindung. Jika kekurangan bahan-bahan untuk respirasi sangat ekstensif protein pun dapat dioksidasi. Protein dihidrolisis menjadi asam amino- asam amino yang kemudian diuraikan oleh reaksi-reaksi daur glikosis dan daur krebs. b. Suhu Respirasi seperti juga proses-proses enzimatis yang lain dipengaruhi oleh suhu. Di dalam batas-batas tertentu laju reaksi enzim kira-kira meningkat dua kali untk setiap kenaikan suhu 100 C. Secara kuantitatif ini ditunjukkan oleh nilai 010 sebagai berikut : 0

10=

laju pada (t+10)0 C 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑡 0𝐶

Nilai 010 untuk respirasi sebagian besar spesies tumbuhan biasanya kirakira antara 2 dan 2,5 pada suhu antara 5 dan 25 0C . di atas suhu ini (30 hingga 35 0C) sering terjadi penurunan 010 yang mungkin disebabkan terbatasnya oksigen karena kelarutannya berkurang dan rendahnya difusi penurunan respirasi karena enzim-enzim yang diperlukan mulai mengalami denaturasi. 1

Drajat sasmitamihardja, dasar-dasar fisiologi tumbuhan, (Bandung), 1999,hlm 120

c. Oksigen Suplai oksigen mempengaruhi respirasi, tetapi pengaruhnya sangat bebrbeda untuk spesies tumbuhan yang berbeda untuk spesies tumbuhan yang berbeda dalam tumbuhan yang sama. Kadar iksigen dalam udara terlalu kecil untuk dapat mempengaruhi respirasi sebagian besar daun dan batang. Lagi pula, laju penetrasi oksigen ke dalam daun, batang dan akar biasanya. Cukup untuk memlihara tingkat pengambilan oksigen yang normal oleh mitokondria, terutama karena sitokrom oksidase mempunyai afinitas yang tinggi terhadap oksigen sehingga dapat berfungsi pada konsentrasi sekitar 0,05 % dari yang terdapat dalam udara jika dipetik lebih awal, respirasi terus berlangsung pada laju berangsur-angsur menurun. Secara biokimi kenaikan respirasi klimakterik itu masih belum jelas.

D. katabolisme lipid dalam biji Penyimpanan asam lemak berbentuk minyak dan lemak dalam jumlah yang relatip besar dapat ditemukan sebagai bahan cadangan penting dalam buah dan biji-bijian (Estiti, 1995). Cadangan ini tersimpan dalam endosperm atau perisperm dalam bentuk lipid dengan kandungan yang beragam. Lipid tampak sebagai tubuh minyak dalam sitoplasma sel yang menyimpan minyak. Tubuh minyak ini dinamakan vakuola berisi lipid, sebagai sferosom yang dikelilingi satuan membrane (Salisbury dan Ross, 1995) . Lemak atau lipida terdiri dari unsur karbon, hidrogen dan oksigen. Fungsi utama cadangan lemak dan minyak dalam biji-bijian adalah sebagai sumber energi. Cadangan ini merupakan salah-satu bentuk penyimpanan energi yang penting bagi pertumbuhan. Pada sel tumbuhan, cadangan lipid adalah asam lemak. Cadangan ini oleh lipase dihidrolisir menjadi gliserol dan asam lemak. Asam lemak ini dipakai dalam sintesis fosfolipid dan glikolipid yang diperlukan untuk pembentukan organel. Sebagian besar diubah menjadi gula dan diangkut untuk pertumbuhan kecambah. Vakuola merupakan organel yang paling besar volumenya pada sel tumbuhan dewasa. Vakuola sering menempati lebih dari 90% volume protoplas, di mana sisa protoplas yaitu sitoplasma melekat pada dinding sebagai lapisan amat tipis. Tonoplas membatasi vakuola yang berisi cairan

(larutan gula, garam, protein, alkaloid, dll.) serta zat ergastik (pati, protein, badan lipid dan berbagai kristal) Asam lemak pada tumbuhan terdapat dalam bentuk senyawa-senyawa lipid. Senyawa yang termasuk lipid adalah lemak dan minyak, fosfolipid dan glikolipid, lilin dan berbagai komponen kutin dan suberin. Timbunan lemak pada biji terdapat dalam sitoplas dan juga pada koletidon atau endosperm yang dinamakan sferosom. Lemak dan minyak selalu disimpan dalam benda khusus di sitosol dan sering terdapat ratusan sampai ribuan benda di tiap sel penyimpan. Sferosom mempunyai membran tipis yang memisahkan trigliserid dari cairan sitoplas. Sebagian besar reaksi sintetis asam lemak terjadi di kloroplas daun serta di proplastid biji dan akar. Lemak yang disimpan dalam biji tidak diangkut dari daun, tetapi disintetis in situ dari sukrosa atau gula terangkut lainnya. Kalaupun daun memproduksi lemak dan minyak namun pemindahannya ke buah tidak dapat melalui floem dan xilem karena tidak larut dalam air. Jenis asam lemak lainnya yang tidak penting pada lipid membran tumbuhan dapat ditemukan pada biji-bijian seperti misalnya asam risinoleat pada biji jarak. (Salisbury dan Ross, 1995). Pengubahan karbohidrat menjadi lemak memerlukan produksi asam lemak dan gliserol sebagai rangka sehingga asam teresterifikasi. Asam lemak dibentuk oleh kondensasi berganda unit asetat dari asetil CoA. Sebagian besar reaksi sintetis asam lemak terjadi hanya di kloroplas daun serta di proplastid biji dan akar. Asam lemak yang disintesis di kedua organel ini terutama adalah asam palmitat dan asam oleat. Asetil CoA yang digunakan untuk membentuk lemak di kloroplas sering dihasilkan oleh piruvat dehidrogenase dengan menggunakan piruvat yang dibentuk pada glikolisis di sitosol. Sumber lain asetil CoA pada kloroplas beberapa tumbuhan adalah asetat bebas dari mikotondria. Asetat ini diserap oleh plastid dan diubah menjadi asetil CoA, untuk digunakan membentuk asam lemak dan lipid lainnya. (Salisbury dan Ross, 1995). Bahan utama yang digunakan pada biosintesis asam lemak adalah senyawa asetil CoA dan senyawa malonil CoA. Malonil CoA disintesis dari asetil CoA dengan penambahan CO2 oleh asetil CoA karboksilase Reaksi pertama pada biosintesis asam lemak adalah pemindahan gugus asetil dan gugus malonil dari

CoA ke ACP dengan katalis asetil-CoA; ACP transilase dan malonil-CoA;ACP transilase. Reaksi berikutnya adalah pengkondensasian gugus malonil membentuk asetoasetil-ACP dengan melepaskan CO2. Setelah penkondensasian asetil dengan malonil, tahapan selanjutnya terdiri dari urutan reaksi reduksi dengan katalis 3ketoasil ACP reduktase, reaksi dehidrasi dengan katalis 3-hidroksi ACP dehidrase, dan reaksi reduksi dengan katalis enoil ACP reduktase. Urutan reaksi-reaksi ini merupakan siklus lintasan pembentukan dan penambahan panjang rantai asam lemak. Hasil sintesa dari urutan reaksi ini adalah molekul asam lemak yang terikat dengan ACP. Hasil sintesa awal adalah asam lemak rendah dengan jumlah atom karbon sebanyak 4. Hasil sintesis ini selanjutnya kembali memasuki siklus ‘kondensasireduksi- dehidrase-reduksi’ untuk menambah panjang rantai asam lemak dengan 2 atom karbon. Bila panjang rantai molekul asam lemak hasil sintesis belum cukup, sintesis lanjut berlangsung kembali melalui siklus yang sama. Hasil sintesis asam lemak terdapat terikat dengan ACP dan CoA. Kemudian CoA akan terhidrolisis dan keluar bila asam lemak bergabung dengan gliserol selama pembentukan lemak atau lipid membran sebagai berikut . Pada reaksi pembentukan asam lemak dibutuhkan banyak energi, di mana dua pasang elektron (2NADPH) dan satu ATP diperlukan untuk tiap gugus asetil. Kebutuhan energi ini di daun dapat tersedia dari fotosintesis yang menyediakan sebagian besar NADPH dan ATP sehingga pembentukan asam lemak pada keadaan terang dapat berlangsung lebih cepat daripada pembentukan pada keadaan gelap. Pada tempat gelap di proplastid biji dan akar, NADPH dapat tersedia dari lintasan respirasi pentosa fosfat, dan ATP dari glikolisis piruvat yang merupakan senyawa asal dari asetil CoA. Lintasan pembentukan asam lemak dari piruvat melalui tahapan pembentukan asetil CoA dan malonil CoA pada plastid. Sebagian besar asam lemak terbentuk di ER walaupun asam oleat dan asam palmitat dibentuk di plastid. Asam lemak yang disintesis di proplastid biji dan akar terutama adalah asam palmitat dan asam oleat. Pada biji, asam lemak yang diproduksi dapat langsung diesterifikasi dengan gliserol membentuk oleosom. Kemungkinan lainnya ialah asam lemak diangkut balik ke proplastid untuk membentuk oleosom. Asam lemak dapat diubah menjadi fosfolipid di ER semua sel sebagai bahan untuk pertumbuhan membran ER dan membran sel

lainnya. Di ER pada daun, asam linoleat dan asam linolenat yang disintesis kemudian diangkut dari ER ke kloroplas dan ditimbun sebagai lipid di membran tilakoid. Pada berbagai tumbuhan, timbunan lemak terdapat beragam sesuai dengan lingkungannya, terutama dengan suhu sebagai faktor pengendali utama. Pada suhu rendah, asam lemak cenderung lebih tidak jenuh dibandingkan pada suhu

tinggi

sehingga

membran

lebih

cair

dan

membentuk

oleosom.

Kecenderungan ini dapat dijelaskan dengan peningkatan kelarutan oksigen di air sejalan dengan turunnya suhu. Hal ini akan menyediakan O2 sebagai penerima esensial atom hidrogen bagi proses ketidakjenuhan di ER sehingga menyebabkan lebih banyak asam lemak tidak jenuh. 1. β-oksidasi asam lemak pada endosperm biji tanaman Enzim-enzim yang dibutuhkan untuk β-oksidasi asam lemak dalam badan mikro untuk pertama kalinya ditemukan pada glioksisom endosperm tumbuhan oleh Cooper dan Beever. Jalur β-oksidasi ini sama, baik yang terjadi pada peroksisom mamalian maupun yang terjadi di glioksisom tumbuhan. Endosperm adalah cadangan makanan dalam biji. Cadangan makanan itu diantaranya

lemak.

Cadangan

makanan

perkecambahan. Sumber energi

ini

utama dalam

penting

artinya

dalam

perkecambahan adalah

karbohidrat. Jadi kalau cadangan makanan dalam biji tadi berupa lemak, maka lemak harus dikonversi menjadi karbohidrat. Reaksi ini terjadi di dalam glioksisom dan dipacu oleh enzim-enzim yang terdapat didalamnya. Hasil oksidasi asam lemak ini adalah asetil KoA, yang kemudian akan digunakan di dalam glioksisom untuk membentuk senyawa (asam) dengan 4 atom C, yaitu asam suksinat melalui jalur glikosilat. Selanjutnya suksinat dibawa ke mitokondria sebagai bahan untuk proses glukoneogenesis. Di mitokondria asam suksinat akan dikonversi menjadi asam malat, yang selanjutnya akan dibawa ke sitosol. Di sitosol asam malat diubah menjadi fosfoenol piruvat, dan digunakan untuk sintesis glukosa. Jadi inilah konversi cadangan lemak menjadi karbohidrat yang terjadi di dalam glioksisom endosperm selama berlangsungnya perkecambahan.

Pada biji yang sedang berkecambah daur glikosilat seluruhnya terjadi di glioksisom 2.

Jalur glikolat Jalur glikolat merupakan serangkaian reaksi kimia yang terjadi di peroksisom dan bergandeng dengan siklus karbon di kloroplas. Jalur ini melibatkan kloroplas, peroksisom, mitokondria, dan sitosol. Jalur ini meliputi pengubahan senyawa yang tak mengandung fosfat (nonphosphorilated) yakni gliserat menjadi glisin, serin, dan persenyawaan “C1”, dan ini penting sebagai precursor dalam biosintesis asam inti. Jalur glikolat dimulai di kloroplas, di mana fosfoglikolat, glikolat, dan fosfogliserat dibentuk dalam fotosintesis. Kloroplas memiliki enzim fosfatase, yang dapat melepas fosfat dari dua subtrat yang mengandung fosfat (yaitu fosfogliserat dan fosfoglikolat) menjadi glikolat. Glikolat meninggalkan kloroplas menuju peroksisom dengan perantaraan suatu pengemban atau pengangkut yang disebut glikolat-glikolat shuttle. Dalam

peroksisom

glikosilat

dioksidasi

menghasilkan

glioksilat

dan

membebaskan H2O2. Dengan adanya katalase di peroksisom ini, H2O2 diubah menjadi H2O dan ½ O2. Glioksilat akan disintesis menjadi asam amino serin atau kembali ke kloroplas. Kembalinya glioksilat ke kloroplas ini di duga sebagai mekanisme untuk menghabiskan NADPH dalam kloroplas yang dihasilkan dalam fotosintesis. NADPH direoksidasi dalam kloroplas dengan mekanisme tanpa menghasilkan H2O2 karena di kloroplas tidak ada katalase. Asam amino glisin dibentuk dari glikosilat, melalui reaksi interkonversi dalam mitokondria menjadi asam amino serin, suatu bagian dari siklus yang belum diketahui dengan jelas. Serin ditranspor kembali ke peroksisom, lalu mengalami deaminasi menjadi oksalat dan kemudian direduksi menjadi gliserat. Gliserat kemudian ditranspor kembali ke kloroplas yang kemudian mengalami fosforilasi menjadi fosfogliserat. Dengan demikian selesailah siklus ini, dengan catatan bahwa sebagian reaksi ini searah dan sebagian lainnya bolak balik. Jadi serin dapat dihasilkan secara langsung dari fosfogliserat dibandingkan dari fosfoglikolat.

Siklus glioksilat juga dinyatakan sebagai siklus yang berperan dalam glukoneogenesis

atau

pembentukan

glukosa

dari

suksinat

dengan

memanfaatkan beberapa substrat seperti asam lemak (yang dioksidasi menjadi Asetil CoA) dan asam asetat. Dalam jalur glioksilat, jalur yang melibatkan enzim-enzim dalam mitokondria maupun glioksisom. Dalam siklus glioksilat oksaloasetat dalam mitokondria diubah menjadi oksaloasetat. Senyawa ini selanjutnya diisomerasi menjadi isositrar sebagaimana yang terjadi dalam SAS. Enzim isositrat liase dalam glioksisoma selanjutnya akan memecah isositrat menjadi suksinat dan glioksilat, sehingga namanya siklus glioksilat. Suksinat kemudian ditranspor ke mitokondria untuk bergabung dengan SAS dan diubah menjadi oksaloasetat. Jadi jalur glioksilat merupakan konversi asetil CoA menjadi glioksilat, bukan CO2 sebagaimana dalam SAS.

SIKLUS GLIOKSILAT

Hasil reaksi siklus glioksilat lebih sedikit dari hasil energi Siklus Krebs. Ringkasan reaksi ini adalah: 2CH3–CO-CoA+ 3H2O + FAD —–> C4H6O5 + FADH2 + 2CoA-SH

BAB III PENUTUP

A. Kesimpulan 1. Sintesis dari pati berlangsung dalam kloroplas daun-daun, Sintesis pati dalam kloroplas dimulai dengan heksosa pospat, Akhirnya, sintesis pati yang dikatalis oleh enzim membentuk formasi baru α-(1,4) yang saling berkaitan,

dengan

menambahkan

lebih

dari

satu

glukosa

untuk

memperpanjag rantai. Sukrosa dikirim dari daun untuk disimpan dalam organ seperti akar, jaringan umbi, dan kecambah yang pada umunya disimpan dalam bentuk pati. 2. Hasil fotosintesis diangkut dari daun ke organ-organ lain seperti akar, batang, dan organ reproduktif melalui pembuluh floem. sukrosa akan diangkut secara simplastik (melalui plasmodesmata) antara sel-sel mesofil sampai ke sel mesofil yang berdampingan dengan sel peneman pada jaringan floem. 3. Respirasi selular adalah proses yang digunakan sel untuk memecah makanan untuk digunakan sebagai energi. Respirasi selular aerobik menggunakan oksigen dan menghasilkan lebih banyak molekul ATP dari respirasi sel anaerob, yang tidak menggunakan oksigen, dan hanya menghasilkan 2 molekul ATP. Ada tiga tahap dalam proses transformasi glukosa menjadi ATP: glikolisis, siklus asam sitrat, dan rantai transpor elektron. Sebagian besar proses berlangsung di pembangkit tenaga listrik sel, mitokondria. Hasil akhir dari respirasi selular aerobik maksimal 38 molekul ATP, energi yang dibutuhkan oleh sel. 4. Asam lemak atau minyak diproduksi pada daun. Namun minyak dan lemak pada biji-bijian diproduksi dengan biosintesis in situ karena lemak dan minyak yang tidak larut dalam air tidak dapat diangkut ke bagian-bagian lain tanaman melalui floem dan xylem. Pada biji-bijian, lemak diproduksi dari asetil CoA dalam proplastid. Energi yang diperlukan untuk sintesis asam lemak yaitu elektron NADPH tersedia dari lintasan respirasi pentosa fosfat, dan ATP dari glikolisis piruvat.