MEMAHAMI ENERGI DALAM KAJIAN BIOLOGI

Oleh Hendrius Candra, M.Si.

(Tim IPA SMAN 1 Ciampea Bogor)

Dugaan saya, kita sering mendengar kata “Energen”. Itu adalah minuman dengan manfaat sebagai sumber energi cepat dan tahan lama berkat karbohidrat, serta memenuhi nutrisi harian. Artinya, di dalamnya terkandung energi. Idealnya untuk sarapan praktis atau pengisi energi di sela aktivitas. Energi adalah zat yang terkandung di dalam atau dipancarkan oleh benda. Energi tidak memiliki penampakan visual dalam arti kasat mata yang bisa dilihat secara langsung. Energi adalah konsep abstrak yang mendefinisikan kemampuan untuk melakukan kerja atau menyebabkan perubahan. Kemampuan atau daya yang dimiliki benda mati maupun makhluk hidup. Ini adalah daya fundamental yang memungkinkan semua aktivitas, mulai dari aktivitas makhluk hidup hingga operasional teknologi. Energi adalah kajian penting Fisika. Pada kenyataannya, Biologi memiliki kajian tersendiri akan energi. Ada keterkaitan kuat dengan Kimia di dalamnya. Pun demikian Fisika. Seperti apakah itu?

Energi dalam Biologi

Bioenergetika adalah cabang ilmu biokimia yang mempelajari transformasi, penyimpanan, dan penggunaan energi dalam sel makhluk hidup. Ilmu ini berfokus pada aliran energi melalui sistem kehidupan, terutama bagaimana organisme memperoleh energi (melalui fotosintesis atau respirasi) dan mengubahnya untuk pekerjaan biologis, dengan ATP sebagai mata uang energi utama

Dalam bidang biologi, energi berperan pada seluruh tingkat sistem biologis, dari biosfer sampai ke makhluk hidup terkecil. Energi dalam biologi adalah kemampuan untuk melakukan kerja atau menyebabkan perubahan pada sistem makhluk hidup, seperti sintesis molekul, gerakan sel, transmisi sinyal, pertumbuhan, dan reproduksi, yang umumnya dimediasi oleh molekul ATP sebagai "mata uang energi" sel, bersumber dari nutrisi dan akhirnya matahari. Energi ini berpindah antar organisme melalui aliran energi dalam ekosistem, dari produsen ke konsumen.

Fungsi utama energi dalam Biologi ada beberapa. Untuk kerja mekanik, ia memungkinkan otot berkontraksi untuk bergerak. Dalam kerja kimia, dapat membentuk ikatan baru dalam pembentukan biomolekul (sintesis protein, DNA). Energi juga berfungsi dalam mekanisme  transpor zat, ketika memindahkan molekul melawan gradien konsentrasi. Pada proses transmisi sinyal, energi memungkinkan komunikasi antar sel. Yang lain pastinya sebagai  pemeliharaan kehidupan, dalam menopang semua aktivitas seluler, pertumbuhan, dan perkembangan.

Pada makhluk hidup, energi berperan dalam pertumbuhan dan perkembangan sel atau organel dari suatu organisme. Pada dasarnya, setiap aktivitas yang dilakukan oleh makhluk hidup memerlukan energi. Proses sintesis molekul, penguraian molekul, serta pemindahan molekul dari satu tempat ke tempat lain juga memerlukan energi.

Sumber dan Bentuk Energi terdiri dari 3 aplikasi berupa sumber utama, bentuk dalam sel, dan mata uang energi.  Sumber Utama energi biologi adalah matahari (untuk fotosintesis), yang diubah menjadi energi kimia dalam makanan (glukosa).  Bentuk dalam sel, berupa energi kimia yang tersimpan dalam ikatan fosfat molekul ATP (Adenosine Triphosphate), yang dilepaskan saat ikatan tersebut dihidrolisis.     Mata uang energi adalah ATP adalah perantara universal transfer energi di dalam sel.

Biosfer yaitu bagian atau lapisan dari bumi di mana terdapat kehidupan. Cakupan biosfer yaitu mulai dari sistem akar paling dalam pohon-pohon yang ada di bumi ke ekosistem bersuasana gelap di palung terdalam yang ada di samudra, hutan hutan yang dalam dan puncak gunung-gunung tinggi. Pergerakan energi terjadi di biosfer. Energi yang masuk ke biosfer berasal dari matahari. Ada banyak jenis energi yang dipancarkan matahari, tetapi yang diterima oleh bumi adalah sebagian kecil energi tersebut. Energi yang berasal dari matahari yang biasa digunakan oleh makhluk hidup adalah energi panas dan cahaya. Energi panas penting bagi bumi agar tetap menjadi biosfer sebagaimana energi panas dapat mempertahankan suhu bumi agar optimal bagi kehidupan. Cahaya diperlukan agar makhluk hidup

Ada Aliran Energi dalam Ekosistem. Energi mengalir dari matahari ke produsen (tumbuhan), lalu ke konsumen (herbivora, karnivora), hingga akhirnya ke saproba.  Setiap perpindahan tingkat trofik (tingkat makan-memakan) terjadi kehilangan energi, biasanya sebagai panas.

Organisme hidup juga membutuhkan energi tersedia untuk tetap hidup; manusia misalnya, membutuhkan energi dari makanan beserta oksigen untuk memetabolismenya. Peradaban membutuhkan pasokan energi untuk berbagai kegiatan; sumber energi seperti bahan bakar fosil merupakan topik penting dalam ekonomi dan politik. Iklim dan ekosistem bumi juga dijalankan oleh energi radiasi yang didapat dari matahari (juga energi geotermal yang didapat dari dalam bumi.

Analisa Energi Biologi dengan Prinsip Fisika

Energi dalam biologi adalah kemampuan makhluk hidup untuk melakukan kerja (sintesis molekul, transport zat, kontraksi otot, dan transmisi sinyal) yang utamanya bersumber dari matahari dan tersimpan dalam ikatan kimia. Mata uang energi utama sel adalah ATP (Adenosin Trifosfat), yang dihasilkan melalui proses katabolisme.

Bentuk-bentuk energi utama dalam biologi ada beberapa. Energi Kimia (Potensial) adalah energi yang tersimpan dalam ikatan kimia molekul organik (seperti glukosa, ATP, lipid). Energi ini dilepaskan saat ikatan dipecah selama metabolisme.  Energi Cahaya (Radiasi), sumber energi utamanya digunakan tumbuhan, alga, dan beberapa bakteri dalam fotosintesis untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi energi kimia. Energi Panas (Termal) merupakan hasil sampingan dari reaksi metabolisme (termoregulasi) yang penting untuk mempertahankan suhu tubuh organisme. Yang lainnya adalah  Energi Kinetik, yang terkait dengan pergerakan sel, seperti pergerakan molekul (transportasi) atau kontraksi otot.

Proses pengolahan energi dalam Biologi terjadi pada peristiwa Metabolisme. Anabolisme dan Katabolisme merupakan dua bagian yang saling bersinergi.  Anabolisme berupa proses sintesis molekul kompleks yang membutuhkan energi, misalnya fotosintesis atau sintesis protein. Di lain pihak, Katabolisme merpakan proses pemecahan molekul kompleks (seperti makanan) untuk menghasilkan energi (ATP), contohnya respirasi seluler.

Pembentukan Energi Fotosintesis

Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang ilmu pengetahuan alam utama, seperti fisika, kimia, maupun biologi sendiri. Pada dasarnya, rangkaian reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian utama: reaksi terang (karena memerlukan cahaya) dan reaksi gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida).

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH₂.  Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya Matahari. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.

Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II. Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm.

Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap di mana fotosistem II menyerap cahaya Matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan muatan menjadi tidak stabil.^] Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul H₂O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim. Hal ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid.

Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH₂. Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H⁺ yang disebut sitokrom b₆-f kompleks. Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah:

2H₂O + 4 foton + 2PQ + 4H^- ? 4H⁺ + O₂ + 2PQH₂

Sitokrom b₆-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH₂ dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC). Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H⁺ dari stroma ke membran tilakoid.^[21] Reaksi yang terjadi pada sitokrom b₆-f kompleks adalah:

2PQH₂ + 4PC(Cu²⁺) ? 2PQ + 4PC(Cu⁺) + 4 H⁺ (lumen)

Elektron dari sitokrom b₆-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I.  Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tetapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H₂O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu.  Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin.  Reaksi keseluruhan pada PS I adalah: Cahaya + 4PC(Cu⁺) + 4Fd(Fe³⁺) ? 4PC(Cu²⁺) + 4Fd(Fe²⁺)

Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP⁺ dan membentuk NADPH.  Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP⁺ reduktase.  Reaksinya adalah: 4Fd (Fe²⁺) + 2NADP⁺ + 2H⁺ ? 4Fd (Fe³⁺) + 2NADPH

Ion H⁺ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase.  ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H⁺ melintasi membran tilakoid.  Masuknya H⁺ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP.  Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut: Sinar + ADP + Pi + NADP⁺ + 2H₂O ? ATP + NADPH + 3H⁺ + O₂

Reaksi gelap

Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-Benson dan siklus Hatch-Slack.  Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi senyawa dengan jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa 3-phosphogliserat.  Oleh karena itulah tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3.  Penambatan CO₂ sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim rubisco. Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack disebut tumbuhan C-4 karena senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO₂ adalah oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon. Enzim yang berperan adalah phosphoenolpyruvate carboxylase

Siklus Calvin-Benson

Mekanisme siklus Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO₂ oleh ribulosa difosfat karboksilase (RuBP) membentuk 3-fosfogliserat.  RuBP merupakan enzim alosetrik yang distimulasi oleh tiga jenis perubahan yang dihasilkan dari pencahayaan kloroplas. Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan pH.  Jika kloroplas diberi cahaya, ion H⁺ ditranspor dari stroma ke dalam tilakoid menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase, terletak di permukaan luar membran tilakoid.  Kedua, reaksi ini distimulasi oleh Mg²⁺, yang memasuki stroma daun sebagai ion H⁺, jika kloroplas diberi cahaya.  Ketiga, reaksi ini distimulasi oleh NADPH, yang dihasilkan oleh fotosistem I selama pemberian cahaya.

Fiksasi CO₂ ini merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan kloroplas. Fikasasi CO2 melewati proses karboksilasi, reduksi, dan regenerasi.  Karboksilasi melibatkan penambahan CO₂ dan H₂O ke RuBP membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(3-PGA).  Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi 1 gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3-Pgaldehida).

Reduksi ini tidak terjadi secara langsung, tetapi gugus karboksil dari 3-PGA pertama-tama diubah menjadi ester jenis anhidrida asam pada asam 1,3-bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terakhir dari ATP.  ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat menjadi ATP oleh reaksi fotofosforilasi tambahan.  Bahan pereduksi yang sebenarnya adalah NADPH, yang menyumbang 2 elektron.  Secara bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali untuk mengubah ADP menjadi ATP.

Pada fase regenerasi, yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk bereaksi dengan CO₂ tambahan yang berdifusi secara konstan ke dalam dan melalui stomata.  Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap molekul CO₂ yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP, kemudian daur dimulai lagi.

Tiga putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO₂ dan produk akhirnya adalah 1,3-Pgaldehida.  Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati, sebagian lainnya dibawa keluar.  Sistem ini membuat jumlah total fosfat menjadi konstan di kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat di sitosol. Triosa fosfat digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa

Siklus Hatch-Slack

Berdasarkan cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat dibedakan menjadi tumbuhan C3 dan C4.  Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari daerah subtropis.  Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO₂ melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO₂.

Tumbuhan C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa. Namun, ATP ini dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa.^] Hal ini dapat terjadi jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat CO₂ tetapi menambat O₂.  Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan di daerah tropis. Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO₂ menjadi glukosa.

Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan mengikat CO₂ dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi piruvat dan CO₂. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO₂ akan masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan melibatkan enzim RuBP.^] Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack, yang terjadi di sel mesofil. Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.^[

Energi fotosintesis adalah energi cahaya matahari yang diubah menjadi energi kimia oleh tumbuhan, alga, dan bakteri untuk membuat makanan (glukosa) dan melepaskan oksigen, menggunakan air dan karbondioksida. Proses ini melibatkan dua tahap utama: reaksi terang (menangkap cahaya, memecah air, menghasilkan ATP & NADPH) dan reaksi gelap (menggunakan ATP & NADPH untuk membuat glukosa), menjadikannya sumber energi utama bagi hampir semua ekosistem di Bumi.

ATP dan Energi

ATP (Adenosin Trifosfat) disebut senyawa berenergi tinggi karena ikatan fosfoanhidrida antar gugus fosfatnya tidak stabil dan menyimpan energi kimia yang besar, yang dilepaskan melalui hidrolisis (pecah) menjadi ADP dan fosfat anorganik. Ikatan ini memberikan energi bebas Gibbs sebesar -7,3 kkal/mol, yang digunakan sel untuk aktivitas seperti kontraksi otot dan transpor aktif. Produk hasil pecahannya, yaitu ADP dan fosfat anorganik, lebih stabil daripada ATP, yang menandakan bahwa energi dilepaskan selama proses tersebut

Adenosin trifosfat (ATP) adalah molekul nukleotida yang berfungsi sebagai mata uang energi utama sel-sel hidup, menyimpan dan mentranspor energi kimia untuk proses metabolisme, kontraksi otot, dan fungsi saraf. ATP dihasilkan melalui respirasi seluler (mitokondria) atau fotosintesis, lalu melepaskan energi saat dihidrolisis menjadi ADP dan fosfat. Dilansir dari Learn Genetics, sel otot yang bekerja dapat menggunakan sekitar 10 juta molekul ATP setiap detik.

ATP atau adenosin trifosfat adalah molekul yang menyimpan energi. Dilansir dari Biology LibreTexts, ATP terdiri dari adenin, ribos, dan tiga gugus fosfat dan dibentuk dalam mitokondria. Energi yang dibawa oleh ATP tersimpan dalam gugus fosfatnya yang terikat pada ribosa. Terutama, pada gugus fosfat pertama dan kedua.

Lalu, bagaimana tubuh mendapatkan energi dari ATP? Dilansir dari Encyclopedia Britannica, energi yang terkandung dalam ATP dilepaskan ketika gugus fosfat diputus melalui penambahan air. Proses ini disebut sebagai hidrolisis. Sederhananya, molekul ATP dihidrolisis untuk menghasilkan energi. Proses hidrolisis ATP dapat dituliskan ke dalam reaksi berikut: ATP + H2O ? ADP + Pi + energi Pada reaksi tersebut, satu gugus fosfat dalam molekul ATP dilepas. Sehingga, menghasilkan ADP atau adenosin difosfat dan satu Pi atau gugus fosfat anorganik.

Bioenergi.dan Bahan Bakar Biomassa

Bioenergi adalah energi terbarukan yang didapatkan dari sumber biologis, umumnya biomassa. Biomassa adalah bahan organik yang menyimpan energi cahaya matahari dalam bentuk energi kimia. Biomassa sebagai bahan bakar umumnya berupa kayu, limbah industri kayu, jerami, dan hasil pertanian seperti tebu yang dapat diolah menjadi bahan bakar. Dalam definisi yang lebih sempit, bioenergi adalah sinonim dari biofuel, yang merupakan bahan bakar turunan dari sumber biologis. Dalam cakupan yang lebih luas, bioenergi mencakup juga biomassa. Bioenergi adalah energi yang dihasilkan dari biomassa, tetapi bioenergi bukanlah biomassa itu sendiri.

Biomassa bisa didapatkan sebagai limbah atau produk samping dari industri pengolahan dan pertanian.  Karena berupa limbah atau produk samping, maka biomassa secara teori tersedia dalam jumlah melimpah dan tidak akan mengurangi pasokan pangan untuk manusia. Biomassa dihasilkan dari organisme seperti tumbuhan, hewan, serta limbahnya. Kotoran hewan dan sampah taman juga merupakan biomassa yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan bioenergi. Energi dari biomassa merupakan salah satu bagian dari siklus karbon. Bagasse dan tandan kosong kelapa sawit merupakan contoh limbah biomassa yang sudah dimanfaatkan sebagai sumber energi di industri pengolahan terkait. Bagase digunakan sebagai sumber energi di pabrik pengolahan tebu, sedangkan tandan kosong kelapa sawit digunakan di industri pengolahan kelapa sawit.

Akhirnya, Energi bukan Cuma bahasan dari Fisika. Pembahasan mengenai energi dalam biologi (Bioenergetika) sangat krusial karena energi adalah penggerak utama seluruh aktivitas kehidupan.  Memahami bagaimana makhluk hidup memperoleh, mengubah, menyimpan, dan menggunakan energi dapat memberikan wawasan mendalam tentang fungsi organisme. Semoga bermanfaat ! (Hendrius Candra, dari berbagai sumber).