B. Hubungan Fungsional Kloroplas dan Mitokondria dalam Pembentukan EnergiKloroplas dan Mitokondria memiliki hubungan fungsional dalam pembentukan energi. Di dalam kloroplas akan terjadi fotosintesis yang menghasilkan oksigen dan molekul organik yang digunakan oleh mitokondria sel eukariotik sebagai bahan bakar dalam respirasi sel. Proses respirasi akan memecah bahan bakar tersebut dan menghasilkan ATP. Produk buangan respirasi, yaitu CO2 dan air, akan digunakan kembali untuk proses fotosintesis. 1. Fotosintesis dalam KloroplasKloroplas merupakan organel yang terdapat pada jaringan tumbuhan yang berfungsi sebagai penyerap energi cahaya, sintesis karbohidrat, dan evolusi oksigen yang ketiga proses tersebut secara bersama dinamakan fotosintesis. Rekasi kimia dari fotosintesis dapat dilihat sebagai berikut :6 CO2 + 12 H2O + light energy C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2OReaksi tersebut menggunakan glukosa untuk menyederhanakan hubungan antara fotosintesis dalam kloroplas dengan respirasi dalam mitokondria, tetapi sebenarnya produk langsung dari proses fotosintesis adalah gula berkarbon tiga yang dapat digunakan untuk membuat glukosa. Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa seluruh perubahan kimiawi selama fotosintesis merupakan kebalikan dari persamaan respiorasi sel. Namun, kloroplas tidak mensitesis glukosa hanya dengan membalikkan reaksi dalam respirasi.Fotosintesis tersusun dari dua proses, yaitu reaksi terang dan rekasi gelap. a. Reaksi TerangReaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2. Reaksi ini terjadi di membran tilakoid yang mengandung enzim-enzim yang lengkap untuk melaksanakan reaksi-reaksi fotosintesis yang bergantung cahaya. Membaran ini merupakan tempat klorofil, pembawa-pembawa elektron dan faktor-faktor yang menggabungkan transpor elektron dengan fosforilasi. Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena. Foton yang dimaksud adalah segmen spektrum yang paling penting bagi kehidupan yaitu pita sempit antara panjang gelombang sekitar 380 nm sampai 750 nm. Radiasi ini dikenal sebagai cahaya tampak, karena dapat dideteksi sebagai beraneka ragam warna oleh mata manusia.

Gambar 1. Spektrum ElektromagnetikMembran tilakoid memiliki suatu fotosistem yaitu suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari yang terdiri dari klorofil a, kompleks antena dan akseptor elektron. Di dalam kloroplas terdapat beberapa macam klorofil dan pigmen lain, seperti klorofil a yang berwarna hijau muda, klorofil b berwarna hijau tua, dan karoten yang berwarna kuning sampai jingga.Pigmen-pigmen tersebut mengelompok dalam membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang berperan penting dalam fotosintesis. Klorofil a berada dalam bagian pusat reaksi. Klorofil ini berperan dalam menyalurkan elektron yang berenergi tinggi ke akseptor utama elektron. Elektron ini selanjutnya masuk ke sistem siklus elektron. Elektron yang dilepaskan klorofil a mempunyai energi tinggi sebab memperoleh energi dari cahaya yang berasal dari molekul perangkat pigmen yang dikenal dengan kompleks antena.Fotosistem sendiri dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Pada fotosistem I ini penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm sehingga klorofil a disebut juga P700. Energi yang diperoleh P700 ditransfer dari kompleks antena. Pada fotosistem II penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap panjang gelombang 680 nm sehingga disebut P680. P680 yang teroksidasi merupakan agen pengoksidasi yang lebih kuat daripada P700. Dengan potensial redoks yang lebih besar, akan cukup elektron negatif untuk memperoleh elektron dari molekul-molekul air.

Gambar 2. Proses Fotosistem 1 dan 2Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap dimana 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.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. Elektron dari sitokrom b6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi 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.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. 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+ padaA TP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP.Reaksi terang menggunakan tenaga matahari untuk menghasilkan ATP dan NADPH yang menyediakan energi kimia dan kekuatan pereduksi untuk digunakan dalam siklus Calvin (suatu tahapan reaksi pensintesa karbohidrat). Perubahan energi yang terjadi pada elektron dalam menempuh aliran reaksi pada tahap reaksi terang secara mekanis ditunjukkan oleh analogi pada gambar berikut.

Gambar 3 . analogi mekanik reaksi terangb. Reaksi GelapSiklus ini menggunakan ATP dan NADPH sebagai sumber energi dan NADPH sebagai tenaga pereduksi pembuatan gula. Karbohidrat yang dihasilkan langsung dari siklus Calvin sebenarnya bukan glukosa melainkan gula berkarbon tiga yang disebut gliseraldehida 3 fosfat (G3P). Berdasarkan Campbell (2002) daur Calvin dapat dibagi ke dalam 3 fase sebagai berikut:a. Pengikatan (fiksasi) CO2CO2 diikat oleh senyawa ribulosa bifosfat (RuBP) untuk membentuk senyawa C-6 yang akan terurai menjadi dua molekul 1,3 bifosfogliserat. Enzim yang berperan dalam fiksasi CO2 adalah RuBP karboksilase atau rubisko.b. Reduksi Tiap-tiap molekul 3-fosfogliserat menerima tambahan gugus fosfat dari ATP dan membentuk 1,3-bisfosfogliserat. Selanjutnya, sepasang elektron yang didonasikan oleh NADPH mereduksi molekul tersebut yang juga akan kehilangan gugus fosfatnya menjadi G3P. Pada setiap 3 molekul CO2 akan dihasilkan 6 molekul G3P tetapi hanya satu molekul G3P yang dapat dihitung sebagai produk netto karbohidrat. Satu molekul tersebut keluar dari siklus dan digunakan oleh tumbuh-tumbuhan sedangkan 5 molekul yang lain didaur ulang untuk menghasilkan tiga molekul RuBP.c. Regenerasi pernerima molekul CO2 (RuBP)Di dalam serangkaian reaksi yang kompleks, rangka karbon dari lima molekul G3P dirancang kembali dalam fase akhir siklus Calvin menjadi tiga molekul RuBP. Untuk mencapai tahap pembentukan RuBP, ATP digunakan sebagai sumber energi (3 molekul ATP). RuBP ini kemudian siap untuk menerima CO2 lagi dan siklus berlulang secara terus menerus. Untuk menghasilkan satu molekul G3P, siklus Calvin membutuhkan sebanyak 9 ATP dan 6 NADPH (reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH). Molekul G3P yang keluar dari siklus Calvin menjadi materi awal dalam sintesis materi organik melalui jalur metabolisme termasuk sintesis glukosa dan karbohidrat lainnya.

Gambar 4. Siklus Calvin2. Metabolisme Energi dalam MitokondriaUntuk menghasilkan energi, glukosa hasil dari proses fotosintesis akan melalui proses metabolisme dalam mitokondria. Proses metabolisme glukosa berlangsung melalui dua mekanisme utama yaitu melalui proses anaerobik dan proses aerobik. Proses metabolisme sacara anaerobik berlangsung di dalamsitoplasma sedangkan metabolisme aerobik berlangsung dalam mitokondria dengan menggunakan enzim sebagai katalis.a. Proses Glikolisis Tahap awal metabolisme konversi glukosa menjadi energi di dalam tubuh akan berlangsung secara anaerobik melalui proses yang dinamakan Glikolisis (Glycolysis). Proses ini berlangsung dengan mengunakan bantuan 10 jenis enzim yang berfungsi sebagai katalis di dalam sitoplasma (cytoplasm) yang terdapat pada sel eukaryotik (eukaryotic cells). Inti dari keseluruhan proses Glikolisis adalah untuk mengkonversi glukosa menjadi produk akhir berupa piruvat. Pada proses Glikolisis, 1 molekul glukosa yang memiliki 6 atom karbon pada rantainya (C H O ) akan terpecah menjadi produk akhir berupa 2 molekul piruvat (pyruvate) yang memiliki 3 atom karbom (C H O ). Proses ini berjalan melalui beberapa tahapan reaksi yang disertai dengan terbentuknya beberapa senyawa antara seperti Glukosa 6-fosfat dan Fruktosa 6-fosfat. Selain akan menghasilkan produk akhir berupa molekul piruvat, proses glikolisis ini juga akan menghasilkan molekul ATP serta molekul NADH (1 NADH3 ATP). Molekul ATP yang terbentuk ini kemudian akan diekstrak oleh sel-sel tubuh sebagai komponen dasar sumber energi. Melalui proses glikolisis ini 4 buah molekul ATP & 2 buah molekul NADH (6 ATP) akan dihasilkan serta pada awal tahapan prosesnya akan mengkonsumsi 2 buah molekul ATP sehingga total 8 buah ATP akan dapat terbentuk.b. Respirasi selulerTahap metabolisme energi berikutnya akan berlangsung pada kondisi aerobik dengan mengunakan bantuan oksigen (O ). Bila oksigen 2 tidak tersedia maka molekul piruvat hasil proses glikolisis akan terkonversi menjadi asam laktat. Dalam kondisi aerobik, piruvat hasil proses glikolisis akan teroksidasi menjadi produk akhir berupa H O dan CO di dalam 2 2 tahapan proses yang dinamakan respirasi selular (Cellular respiration). Proses respirasi selular ini terbagi menjadi 3 tahap utama yaitu produksi Acetyl-CoA atau Dekarboksilasi oksidatif, proses oksidasi Acetyl-CoA dalam siklus asam sitrat (Citric-Acid Cycle) atau siklus kreb serta Rantai Transpor Elektron (Electron Transfer Chain/Oxidative Phosphorylation).Tahap kedua dari proses respirasi selular yaitu Siklus Asam Sitrat merupakan pusat bagi seluruh aktivitas metabolisme tubuh. Siklus ini tidak hanya digunakan untuk memproses karbohidrat namun juga digunakan untuk memproses molekul lain seperti protein dan juga lemak.1) Dekarboksilasi oksidatifDekarbosilasi adalah reaksi yang mengubah asam piruvat yang beratom 3 C menjadi senyawa baru yang beratom 2 C, yaitu asetil koenzim-A (asetil ko-A). Reaksi dekarboksilasi oksidatif ini (disingkat DO) dan sering juga disebut sebagai tahap persiapan untuk masuk ke siklus Krebs. Reaksi DO ini berlangsung di intermembran mitokondria.Proses ini berjalan dengan bantuan multi enzim 2 pyruvate dehydrogenase complex (PDC) melalui 5 urutan reaksi yang melibatkan 3 jenis enzim serta 5 jenis coenzim. 3 jenis enzim yang terlibat dalam reaksi ini adalah enzim Pyruvate Dehydrogenase (E1), dihydrolipoyl transacetylase (E2) & dihydrolipoyl dehydrogenase (E3), sedangkan coenzim yang telibat dalam reaksi ini adalah TPP, NAD+, FAD, CoA.Pertama-tama, molekul asam cuka yang dihasilkan dari reaksi glikolisis akan melepaskan satu gugus karboksilnya yang sudah teroksidasi sempurna dan mengandung sedikit energi, yaitu dalam bentuk molekul CO2. Setelah itu, 2 atom karbon yang tersisa dari piruvat akan dioksidasi menjadi asetat (bentuk ionisasi asam asetat). Selanjutnya, asetat akan mendapat transfer elektron dari NAD+ yang tereduksi menjadi NADH. Kemudian, koenzim A (suatu senyawa yang mengandung sulfur yang berasal dari vitamin B) diikat oleh asetat dengan ikatan yang tidak stabil dan membentuk gugus asetil yang sangat reaktif, yaitu asetil koenzim-A, yang siap memberikan asetatnya ke dalam siklus Krebs untuk proses oksidasi lebih lanjut . Selama reaksi transisi ini, satu molekul glukosa yang telah menjadi 2 molekul asam piruvat lewat reaksi glikolisis menghasilkan 2 molekul NADH.2) Proses oksidasi Acetyl-CoA (Citric-Acid Cycle) atau siklus krebMolekul Acetyl CoA yang merupakan produk akhir dari proses konversi Pyruvate kemudian akan masuk kedalam Siklus Asam Sitrat. Secara sederhana persamaan reaksi untuk 1 Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) dapat dituliskan :Acetyl-CoA + oxaloacetate + 3 NAD + GDP + Pi +FAD --> oxaloacetate + 2 CO + FADH + 3 NADH + 3 H + GTPSiklus ini merupakan tahap akhir dari proses metabolisme energi glukosa. Proses konversi yang terjadi pada siklus asam sitrat berlangsung secara aerobik di matriks mitokondria dengan bantuan 8 jenis enzim. Inti dari proses yang terjadi pada siklus ini adalah untuk mengubah 2 atom karbon yang terikat didalam molekul Acetyl-CoA menjadi 2 molekul karbondioksida (CO ), membebaskan koenzim A serta 2 memindahkan energi yang dihasilkan pada siklus ini ke dalam senyawa NADH, FADH dan GTP. Selain 2 menghasilkan CO dan GTP, dari persamaan reaksi 2 dapat terlihat bahwa satu putaran Siklus Asam Sitrat juga akan menghasilkan molekul NADH & molekul FADH . Untuk melanjutkan proses metabolisme energi, 2 kedua molekul ini kemudian akan diproses kembali secara aerobik di dalam membran sel mitokondria melalui proses Rantai Transpor Elektron untuk menghasilkan produk akhir berupa ATP dan air (H O).

Gambar 5. Siklus kreb3) Rantai Transpor ElektronProses konversi molekul FADH dan NADH yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat (citric acid cycle) 2 menjadi energi dikenal sebagai proses fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) atau juga Rantai Transpor Elektron (electron transport chain). Di dalam proses ini, elektron-elektron yang terkandung didalam molekul NADH & FADH ini akan dipindahkan ke dalam aseptor utama yaitu oksigen (O ). Pada akhir tahapan proses ini, elektron yang terdapat di dalam molekul NADH akan mampu untuk menghasilkan 3 buah molekul ATP sedangkan elektron yang terdapat dalam molekul FADH akan menghasilkan 2 buah molekul ATP.

Rantai transpor elektron tidak membuat ATP secara langsung. Akan tetapi, rantai ini memudahkan kejatuhan elektron dari makanan ke oksigen, menguraikan penurunan energi-bebas dalam jumlah besar menjadi serangkaian langkah yang lebih kecil, yang melepaskan energi dalam jumlah yang mudah dikelola. Mitokondria (atau membran plasma prokariota) menggandengkan transpor elektron dan pelepasan energi ini dengan sintesis ATP suatu mekanisme yang disebut kemiosmosis.1. Pengertian KemiosmosisTeori kemiosmosis pertama kali dipaparkan oleh Peter D. Mitchel pada tahun 1961. Teori ini menyatakan bahwa sebagian besar pembentukan ATP dalam proses respirasi sel berasal dari gradien elektrokimia yang melewati membran mitokondria sebelah dalam dengan menggunakan energi dari NADH dan FADH2 yang merupakan hasil dari pemecahan molekul kaya energi, misalnya glukosa.Proses ini berhubungan dengan proses pembentukan ATP karena pergerakan ion Hidogen yang melewati membran. Proses ini disebut kemiosmosis karena mirip dengan terjadinya osmosis, yaitu difusi air melewati membran.2. Tahap KemiosmosisPembentukan ATP yang melibatkan peristiwa kemiosmosis terjadi di mitokondria dan kloroplas. Di dalam sel, peristiwa kemiosmosis melibatkan proton motive force (PMV). Terbentuknya PMV diawali dengan proses terjadinya pergerakan elektron pada rantai transpor elektron. Elektron pada rantai transpor elektron digerakkan dengan adanya pelepasan elektron. Elektron tersebut bersal dari NADH atau FADH yang tereduksi apabila fosforilasi terjadi pada mitokondria sedangkan pada kloroplas, energi cahaya memecah molekul air menjadi ion H+ dan oksigen dan disertai pelepasan elektron.Pergerakan elektron menimbulkan energi. Energi tersebut digunakan untuk memompa proton. Proton bergerak dari dalam membran ke membran antara di dalam sel mitokondria atau kloroplas. Pergerakan proton ke luar membran menyebabkan konsentrasi tinggi pada partikel ion positif sehingga terjadi perbedaan konsentrasi antara di dalam dan di luar membran. Perbedaan ini menghasilkan gradien elektrokimia. Gradien tersebut menghasilkan perbedaan tingkat PH dan tingkat muatan listrik. Kedua perbedaan inilah yang disebut PMV. Setelah terjadi PMV bergeraklah proton dari konsentrasi ion H+ yang tinggi ke ion H+ yang rendah yang disebut difusi ion. Difusi ion ini menmyebabkan adanya aliran proton yang hanya dapat masuk ke membran melalui enzim ATP synthase yang membawa cukup energi untuk menggabungkan ADP dan fosfat anorganik maka terbentuklah ATP.

Gambar 1. Peristiwa KemiosmosisDaftar Pustaka :Champbell, NA dan Reece, JB. 2008. Biologi. Edisi ke delapan. Jilid satu. Jakarta : ErlanggaIrawan, MA. 2007. Glukosa dan Metabolisme Energi. Jurnal Polton Sports Science and Performance Lab. Vol 01 (06): 1-5. Diakses melalui ww.pssplab.com pada tanggal 14 Maret 2015. Utomo, B. 2007. Fotosintesis Pada Tumbuhan. Karya Ilmiyah. Medan : Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.Saefudin. Tanpa Tahun. Struktur dan Fungsi Sel [pdf]. (Online). Diakses melalui http://file.upi.edu/Direktori/SPS/PRODI.PENDIDIKAN_IPA/196307011988031-SAEFUDIN/Biologi_sel_PLPG.pdf pada tanggal 14 Maret 2015.