METABOLISME SEL

METABOLISME SEL

Proses metabolisme di dalam sel melibatkan aktivitas sejumlah besar katalis biologic yang disebut enzim dan berlangsung melalui respirasi (katabolisme) dan sintesi (anabolisme). Enzim berperan dalam reaksi biokimia di dalam sel yang bekerjanya spesifik, antar lain mengerjakan urutan reaksi-reaksi kimia yang menghasilkan ATP dan senyawa-senyawa yang kaya energi (berenergi tinggi) lainnya. Dalam bab ini akan dibahas tentang katabolisme yang meliputi respirasi aerob dan respirasi anaerob, dan anabolisme yang meliputi fotosintesis, kemosintesis, sintesis lemak dan sintesis protein.
Energi kimia untuk gerak berupa molekul berenergi tinggi, yang disebut molekul ATP. Molekul tersebut berasal dari pengubahan glukosa melalui reaksi kimia yang panjang dan kompleks. Glukosa sendiri dikenal sebagai sumber energi yang mengandung energi ikatan kimia dan berasal dari proses transformasi energi matahari.
(1) Dalam peristiwa fotosintesis, energi matahari yang berupa radiasi atau pancaran cahaya diubah menjadi energi kimia dalam ikatan senyawa organic. Lambang f adalah frekuensi dari cahaya dan lambing h adalah konstanta Planck, yang berkaitan dengan energi dan frekuensi.
(2) Selama respirasi sel, energi kimia dalam senyawa kimia diubah menjadi persenyawaan yang berupa ATP.
(3) Dalam sel, energi kimia ikatan fosfat yang kaya akan energi (ATP) digunakan untuk kerja mekanis, listrik dan kimia.
(4) Akhirnya energi mengalir ke lingkungan sebagai panas dalam “entropi”.
Dalam biologi transformasi energi dibedakan menjadi tiga macam (Bagan 3.1).
Pertama, energi matahari yang ditangkap oleh klorofil pada tumbuhan hijau diubah menjadi energi kimiawi melalui proses fotosintesis. Energi kimiawi digunakan untuk sintesis karbohidrat dan molekul kompleks lainnya dari CO2 dan H2O. Energi radiasi matahari yang terbentuk energi kinetic diubah menjadi bentuk energi potensial. Energi kimiawi disimpan dalam molekul karbohidrat dan bahan makanan lainnya sebagai energi ikatan yang menghubungkan atom-atom bakunya.
Kedua, energi kimiawi dari karbohidrat dan molekul-molekul lain diubah menjadi energi dari ikatan fosfat yang kaya akan energi melalui respirasi sel. Transformasi energi berlangsung dalam mitokondria.
Ketiga, energi terlepas bila energi kimiawi dari ikatan fosfat digunakan oleh sel untuk melakukan kegiatan, seperti kerja mekanik kontraksi otot, kerja listrik meneruskan impuls saraf, dan kerja kimiawi serta mensintesis molekul-molekul untuk pertumbuhan. Jika transformasi ini berlangsung, akhirnya energi mengalir ke sekelilingnya dan hilang sebagai panas.
Reaksi kimia di dalam sel-sel tubuh tidak terhitung banyaknya. Dapat dikatakan bahwa apa pun wujud kegiatan biologic yang kita saksikan, baik yang dikenal sebagai pertumbuhan, perkembangan, perkembangbiakan, sekresi, ekskresi dan sebagainya, semuanya dengan proses kimia yang ribuan banyaknya.
Istilah metabolisme berkaitan dengan totalitas proses kimia dalam tubuh organisme. Peta metabolisme adalah suatu bentuk ilustrasi organisasi metabolisme, yang menyangkut unsur-unsur proses metabolisme, kedudukannya satu dengan yang lain, juga unsur-unsur yang berproses serta peranannya, dan factor luar yang berpengaruh.
Berikut adalah gambaran tentang peta metabolisme tersebut :
(1) Reaksi Katabolisme dan Anabolisme
Reaksi katabolisme adalah reaksi yang sifatnya memecah ikatan kimia yang kompleks menjadi ikatan yang lebih sederhana. Mengingat bahwa tidak terlepasnya molekul-molekul yang membentuk ikatan kimia yang kompleks disebabkan adanya energi yang mengikat (energi ikat), maka pada waktu molekul pecah terjadilah energi yang bebas. Reaksi pembebasan energi dalam beberapa hal lebih penting daripada pecahnya molekul kompleks menjadi molekul sederhana.

Contoh reaksi katabolisme yang bermakna adalah proses perubahan glukosa menjadi CO2 dan H2O serta pembebasan energi. Reaksi ini terjadi pada proses respirasi aerob.

Reaksi anabolisme adalah reaksi pembentukan, yaitu pembentukan molekul sederhana menjadi molekul kompleks. Tidak seperti halnya pada reaksi katabolisme, reaksi anabolisme merupakan sintesis. Yang penting dalam reaksi anabolisme adalah adanya transformasi energi yang disimpan dalam bentuk ikatan kimia. Contoh klasik mengenai reaksi anabolisme adalah fotosintesis, yang merupakan suatu reaksi antara CO2 dan H2O dengan bantuan cahaya matahari sebagai sumber energi yang kemudian membentuk karbohidrat. Dengan demikian ada proses penyimpanan energi.

Reaksi katabolisme dan anabolisme berkaitan dengan energi, hanya saja pada reaksi katabolisme terjadi pembebasan energi, sedangkan pada reaksi anabolisme terjadi penyimpanan energi. Pada peristiwa ini dikenal istilah khusus, yaitu reaksi eksergonik dan endergonik.

2. Reaksi Eksergonik dan Endergonik
Reaksi eksergonik adalah reaksi yang menghasilkan atau membebaskan energi. Bila pada reaksi ini timbul panas, maka reaksi tersebut dinamakan dengan reaksi eksoterm.

Reaksi endergonik adalah reaksi yang memerlukan energi dalam bentuk panas. Reaksi semacam ini disebut reaksi endoterm.

3. Molekul-molekul yang Terkait pada Metabolisme

a) ATP (Adenosine tri phosphate)
Molekul ATP adalah molekul berenergi tinggi. Molekul ini adalah suatu ikatan adenhosin yang mengikat tiga gugus fosfat. Walaupun digolongkan pada molekul berenergi tinggi tetapi ikatannya adalah labil, dalam arti mudah melepaskan gugus fosfatnya pada saat mengalami hidrolisis sehingga dari keadaan mengikat gugus fosfat sebanyak tiga, akan menjadi ADP (Adenosine diphosphate) yang ikatan fosfatnya sebanyak dua.
Perubahan ATP menjadi ADP diikuti dengan pembebasan energi sebanyak 7,3 kalori/mol ATP. Peristiwa ATP menjadi ADP merupakan reaksi yang dapat balik.


(b) Enzim
Enzim adalah senyawa organic atau katalis protein yang dihasilkan oleh sel dan berperan sebagai katalisator, yang dinamakan Biokatalisator.
Enzim mengatur kecepatan dan kekhususan ribuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam sel. Walaupun enzim dibuat di dalam sel, tetapi untuk bertindak sebagai katalis tidak harus berada di dalam sel. Reaksi yang dikendalikan oleh enzim yaitu antara lain ialah respirasi, pertumbuhan dan perkembangan, kontraksi otot, fotosintesis, fiksasi nitrogen dan pencernaan.
Dalam teori, reaksi-reaksi yang dikendalikan enzim dapat berbalik, yaitu enzim yang tidak menentukan arah reaksi tetapi hanya sekadar mempercepat laju reaksi sehingga reaksi mencapai keseimbangan. Misalnya, kerja enzim lipase dalam penguraian lemak atau penyatuan gliserol dengan asam lemak. Bila pada permulaannya menggunakan lemak, maka enzim akan menguraikannya ke dalam gliserol dan asam lemak. Bila mulai dengan campuran gliserol dan asam lemak, maka enzim akan mensintesis lemak. Bila system ini berlangsung cukup lama, maka keseimbangan yang sama dalam larutan lemak, asam lemak dan gliserol akan tercapai:
Lipase
Lemak menjadi gliserol + asam lemak

Untuk melangsungkan reaksi yang memerlukan energi, maka pada waktu yang hamper bersamaan harus terjadi reaksi-reaksi yang mengahsilkan energi. Dalam kebanyakan system biologic, reaksi yang menghasilkan energi mengakibatkan terjadinya ester fosfat yang “kaya energi” seperti ikatan terminal dari adenosine tri fosfat (ATP). Selanjutnya energi dari ikatan kaya energi ini kemudian disediakan untuk penyaluran impuls saraf, kontraksi otot, sintesis molekul-molekul kompleks, dsb.
Enzim mempengaruhi kecepatan reaksi, tetapi tidak terpengaruh atau dipengaruhi oleh reaksi tersebut. Enzim sifatnya khas, artinya hanya dapat mempengaruhi zat tertentu, yang disebut Substrat. Misalnya enzim maltase, enzim yang menguraikan maltosa. Enzim yang lain, antara lain ialah emilase yang bekerja pada amilum, protease yang substratnya protein, dan lipase yang menguraikan lemak. Sifat khas enzim selain bekerjanya hanya pada substrat tertentu, sebagai katalisator enzim tersebut juga tidak ikut bereaksi. Jadi sifatnya memungkinkan terjadinya reaksi atau mempercepat reaksi. Enzim hanya dapat bekerja dengan baik pada kisaran temperature atau suhu dan pH tertentu. Karena enzim merupakan katalisator yang dihasilkan oleh sel-sel organisme, maka disebut sebagai Biokatalisator.
Dengan adanya enzim, maka reaksi dalam sel-sel organisme dapat berlangsung pada suhu normal, sedangkan untuk reaksi endoterm, suhu yang diperlukan biasanya cukup tinggi yang sebenarnya dapat mengganggu kehidupan normal sel.
Penyusun utama enzim adalah molekul protein. Disamping protein, terdapat molekul lain yang sangat penting dan mempunyai peranan yang berkaitan dengan sifat katalis enzim. Molekul tersebut disebut sebagai ko-enzim. Vitamin dapat merupakan ko-enzim yang tergolong zat organic, sedangkan logam seperti Fe merupakan contoh ko-enzim yang tergolong zat anorganik.
Enzim menjadi rusak bila suhunya terlalu tinggi atau terlalu rendah. Protein akan mengental atau mengalami koagulasi bila suhunya terlalu tinggi (panas). Bagaimanakah bila enzim berada dalam suasana asam? Pertanyaan ini dapat dijawab dengan melihat sifat protein pada suasana asam dalam kehidupan sehari-hari, misalnya pada waktu orang mencampurkan air jeruk ke dalam susu.
Kerja enzim dapat terhalang oleh zat lain. Zat yang dapat menghambat kerja enzim disebut zat inhibitor.

A. Katabolisme
Tinjauan dari segi evolusi menunjukkan bahwa organisme yang pertama di bumi ini adalah organisme heterotrof. Disebut demikian karena organisme tersebut menggunakan zat organic yang berada dalam keadaan bebas di sekitarnya sebagai sumber energi yang diperlukan untuk memenuhi proses biologic di dalam sel-sel tubuh. Cara organisme heterotrof memperoleh zat-zat organic yang diperlukan bermacam-macam, antara lain secara simbiosis, baik yang bersifat mutualistik, komensalistik maupun parasitic, namun ada pula yang hidup dari sisa-sisa atau bagian tubuh organisme yang telah mati, seperti pemakan bangkai.
Organisme yang tergolong produsen, misalnya tumbuhan hijau yang dapat mengadakan fotosintesis, tergolong sebagai organisme ototrof yang dapat menyediakan sendiri energi bagi kehidupannya dan juga bagi organisme lain.
Pada saat atmosfer purba mulai miskin atau sedikit mengandung oksigen, organisme pada saat itu memperoleh energi tidak dengan cara oksidasi tetapi dengan cara fermentasi. Proses fermentasi ini menghasilkan oksigen maka dalam perkembangannya evolusi selanjutnya jumlah oksigen di atmosfer bumi meningkat. Proses pembebasan energi dari sumber energi ke dalam tubuh organisme dilakukan dengan cara respirasi, yaitu dengan bantuan oksigen. Berikut uraian tentang respirasi dan fermentasi. Dalam hal ini respirasi didahulukan karena terjadi pada sebagian besar organisme, terutama organisme tingkat tinggi.
1. Respirasi
Respirasi adalah suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam sumber energi, melalui peristiwa kimia dengan menggunakan oksigen. Respirasi sel meliputi proses enzim di dalam sel dimana molekul karbohidrat, asam lemak dan asam amino diubah atau diuraikan menjadi karbon dioksida dan air dengan koservasi energi biologic yang bermakna. Proses kimia yang ditandai dengan rentetan reaksi kimia, dapat dibedakan menjadi tiga tahap pokok, yaitu peristiwa glikolisis, peristiwa kimia siklik yang disebut siklus Krebs, serta transport electron respiratori.
Reaksi respirasi yang sebenarnya merupakan penjumlahan rangkaian reaksi kimia, adalah kebalikan dari reaksi fotosintesis. Pada hakikatnya proses kimia yang menyangkut respirasi adalah kompleks. Reaksi yang sederhana adalah:
C6H12O6 + 6O2 menjadi 6H2O + 6CO2 + Energi
a. Peristiwa Glikolisis
Pada dasarnya peristiwa glikolisis adalah peristiwa pengubahan molekul sumber energi. Dalam hal ini glukosa (6 atom C) diubah menjadi molekul yang lebih sederhana, ytaitu asam piruvat (3 atom C).

Produk yang penting pada peristiwa glikolisis adalah:
1. 2 molekul asam piruvat
2. 2 molekul NADH sebagai sumber electron berenergi tinggi
3. 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa
Sebenarnya untuk setiap molekul glukosa dapat dihasilkan empat molekul ATP tetapi dua molekul digunakan untuk beberapa reaksi kimia. Dari kesepuluh langkah pemecahan glukosa tersebut, dua di antaranya bersifat enderggonik, dan menggunakan dua molekul ATP.
b. Siklus Krebs
Rentetan peristiwa kimia yang terjadi pada siklus Krebs cukup kompleks seperti urutan berikut:
1. Asam piruvat yang berasal dari proses glikolisis, selanjutrnya masuk ke dalam siklus Krebs setelah bereaksi dengan NAD+ (nikotinamide adenine dinucleotide), dan Ko-enzim A atau Ko-A (Co-A), membentuk senyawa asetil Ko-A. dalam peristiwa ini CO2 dan NADH dibebaskan. Perubahan kandungan C adalah dari 3C (asam piruvat) menjadi 2C asetil Ko-A.
2. Peristiwa beriukutnya adalah reaksi antara asetil Ko-A (2C) dengan asam oksalo asetat (4C), dan terjadilah asam sitrat (6C). Dalam peristiwa ini Ko-A dibebaskan kembali.
3. Reaksi berikut adalah antara asam sitrat (6C) dengan NAD+ dan membentuk asam alfa ketoglutarat (5C) dengan membebaskan CO2.
4. Peristiwa berikut agak kompleks, yaitu pembentukan asam suksinat (4C) setelah bereaksi dengan NAD+ dan membebaskan NADH, CO2 dan menghasilkan ATP setelah bereaksi denganADP dan asam fosfat anorganik.
5. Asam suksinat yang terbentuk kemudian akan bereaksi dengan FAD (Flavin adenine Dinucleotide) dan membentuk asam malat (4C) dengan membebaskan FADH2.
6. Asam malat (4C) kemudian bereaksi dengan NAD+ dan membentuk asam oksalo asetat (4C) dengan membebaskan NADH, karena asam oksalo asetat akan kembali bereaksi dengan asetil KoA seperti pada langkah ke-2 di atas.

c. Rantai Transportasi Elektron Respiratori
Transport electron terjadi di dalam mitokondria, dan berakhir setelah electron bersama-sama dengan H+ menuju dan akhirnya bereaksi dengan oksigen yang berfungsi sebagai akseptor terakhir, membentuk H2O. reaksinya kompleks, tetapi dalam hal ini yang berperan penting adalah NADH, FAD dan molekul-molekul khusus yang berperan dalam respirasi, seperti Flavo protein, Ko-enzim, serta beberapa sitokrom. Dikenal ada beberapa sitokrom, yaitu sitokrom c1, c, a dan a3. electron berenergi pertama-tama berasal dari NADH, kemudian ditransfer ke FMN dan selanjutnya ke Q, sitokrom c1, c, a, b, dan a3. dari a3 elektron disampaikan ke O, molekul O2 menangkap electron dari a3, dan selanjutnya berikatan dengan H yang diambil dari lingkungan sekitarnya sehingga terjadi reaksi yang membentuk H2O.
Secara sederhana reaksinya: 24 e¯ + 24 H+ + 6 O2 menjadi 12 H2O.
Yang utama dalam prosess katabolisme adalah proses pembebasan energi yang berupa ATP, dan kemudian ATP dipergunakan untuk memenuhi proses hidup yang selalu memerlukan energi. Dalam ringkasan berikut dapat dimengerti bahwa reaksi yang paling penting adalah reaksi yang menyangkut transpor electron.

2. Fermentasi
Pada kebanyakan tumbuhan dan hewaqn, respirasi yang berlangsung adalah respirasi aerob, yaitu respirasi yang menggunakan oksigen sebagai penerima hydrogen. Namun demikian dapat terjadi bahwa respirasi dengan menggunakan oksigen tersebut terhambat karena sesuatu hal. Misalnya pada tumbuhan, reaksi dengan menggunakan oksigen tersebut tidak dapat berlangsung di bagian akar. Hal ini disebabkan karena rongga tanah penuh dengan air sehingga sel akar tidak dapat menghambil oksigen untuk keperluan respirasi. Hal ini berbeda dengan tumbuhan yang hidup di air, yang organnya memang sesuai dengan kehidupan dalam air. Pada manusia kekurangan oksigen semacam ini dapat pula terjadi, misalnya pada pelari jarak jauh dengan kencang, sehingga kebutuhan akan oksigen lebih banyak daripada yang tersedia yang diambil melalui pernafasan.
Dengan tidak adanya oksigen yang dapat diserap tersebut atau kurangya oksigen yang tersedia, maka proses pembebasan energi yang berlangsung adalah proses yang disebut fermentasi.
Dari hasil akhir fermentasi, maka fermentasi dapat dibedakan menjadi fermentasi asam laktat dan fermentasi alcohol.
a. Fermentasi asam laktat
Dari namanya maka hasil fermentasi adalah asam laktat yang juga disebut dengan asam susu. Ada sementara orang yang m,enyebut asam laktat dengan asam kelelahan karena memang erat kaitannya dengan rasa lelah. Hal ini dapat terjadi pada manusia, yaitu karena bergerak melebihi batas sehingga terjadi penimbunan asam tersebut, yang merupakan hasil akhir fermentasi pada otot tubuh.
Proses fermentasi ini juga dimulaki dengan glikolisis, yang menghasilkan asam piruvat. Karena dalam proses ini tidak ada oksigen yang merupakan resptor terakhir, maka peristiwa selanjutnya adalah perubahan asam piruvat menjadi asam laktat. Terjadi kejadian tersebut membawa akibat bahwa electron yang tidak meneruskan perjalanannya, tidak lagi menerima electron dari NADH dan FAD yang dalam keadaan normal dihasilkan dalam siklus Krebs. Karena tidak terjadi penyaluran electron, berarti pula bahwa NAD+ dan FAD yang diperlukan dalam proses kimia dalam siklus Krebs juga tidak terbentuk. Akibatnya reaksi dalam siklus Krebs terhenti. Namun demikian NAD+ di luar mitokondria dapat dibentuk dari NADH melalui proses pembentukan asam laktat dari asam piruvat. Hanya saja asam laktat merupakan asam kimia yang merugikan karena bersifat racun.
b. Fermentasi alcohol
Pada beberapa mikroorganisme peristiwa pembebasan energi terlaksana karena asam piruvat diubah menjadi asam asetat dan CO2. Selanjutnya asam aetat diubah menjadi alcohol. Pada peristiwa ini terjadi perubahan NADH menjadi NAD+. Dengan terbentuknya NAD+ ini maka peristiwa glikolisis dapat terjadi. Dengan demikian asam piruvat selalu tersedia untuk kemudian diubah menjadi energi.
Namun energi ATP yang dihasilkan pada fermentasi ini, dari 1 molekul glukosa hanya dapat dihasilkan 2 molekul ATP. Bandingkan dengan proses respirasi yang mengubah 1 molekul glukosa menjadi 34 ATP. Dengan demikian bila hal ini terjadi pada tumbuhan tingkat tinggi maka akan merupakan pemborosan penggunaan sumber energi yang berbentuk glukosa. Akhirnya akan menyebabkan kematian karena “kelaparan” yaitu kehabisan makanan yang berupa sumber energi.
Pada sel ragi bila tersedia O2, maka sel ragi akan melakukan re4spirasi, sedang bila tidak cukup maka akan terjadi fermentasi. Berkurangnya energi yang diperoleh dari proses fermentasi akan diikuti kegiatan internal yang diperlambat pula. Dengan perkataan lain sel ragi dapat menyesuaikan dengan keadaan sehingga dengan demikian dapat bertahan hidup lebih lama. Organisme yang dapat hidup dan memperoleh energi dengan menggunakan oksigen dan tanpa oksigen disebut organisme aerob fakultatif, artinya tidak harus hidup dengan menggunakan oksigen. Organisme lain yang mutlak hanya dapat hidup bila ada oksigen disebut aerob obligat.

B. Anabolisme
Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks. Dengan lain perkataan anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Proses penyusunan persenyawaan kimia pada umumnya memrlukan energi, misalnya energi cahaya untuk fotosintesis dan energi kimia untuk kemosintesis.

a. Fotosintesis
Kata fotosintesis menunjukkan bahwa proses tersebut adalah proses penyusunan atau pembentukan dengan menggunakan energi cahaya, atau foton. Sumber cahaya yang alami adalah cabaya matahari, yang telah dipelajari dalam fisika terdiri dari beberapa spectrum mulai dari yang tidak kelihatan seperti infra merah kemudian berturut-turut adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dan ultra ungu. Yang disebut terakhir ini tidak dapat dilihat.









Tumbuhan yang mampu menghasilkan sendiri zat organic, dari zat-zat anorganik dengan menggunakan energi cahaya disebut foto-ototrof. Istilah yang umum untuk tumbuhan atau organismeyang dapat menghasilkan sendiri zat organic yang diperlukan disebut ototrof. Ada organisme yang mampu mengadakan kemosintesis, yaitu yang mampu menghasilkan zat organic yang dibutuhkan dengan menggunakan zat organic, dengan pertolongan energi kimia.
Berikut akan diuraikan tentang pigmen fotosintesis yang memegang peran utama dalam proses pembentukan karbohidrat dari zat-zat anorganik.
a. Pigmen Fotosintesis
Dari percobaan di atas dapat diperoleh data bahwa ada perbedaan pengaruh antara alat dengan selubung kertas berwarna yang berbeda. Ternyata bahwa perangkat alat percobaan yang tidak diselubungi akan menghasilkan oksigen yang berbeda pula. Apakah yang menyebabkannya?
Dari gambar tentang spectrum cahaya matahari, diketahui bahwa energi yang dimiliki berbagai spectrum cahaya tersebut berbeda. Namun demikian factor lain yang harus diperhitungkan adalah bagaimana perbedaan tersebut dapat mempunyai dampak yang berbeda pada proses fotosintesis.
Kloroplas dijumpai terutama dalam bagian daun yang disebut mesofil, yang sering disebut pula sebagai daging daun. Kloroplas juga dijumpai di bagian-bagian lain, bahklan juga pada batang dan ranting yang berwarna hijau. Hal ini disebabkan karena dalam bagian kloroplas terdapat pigmen yang berwarna hijau yang disebut dengan klorofil. Pigmen ini dapat menyerap energi cahaya. Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda, yang melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membrane tersebut membentuk suatu system membrane tilakoid yang berwujud sebagai suatu bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung tilakoid ini dapat berlapis-lapis dan membentuk apa yang disebut grana. Klorofil terdapat pada membrane tilakoid, dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedangkan pembentukan glukosa, sebagai produk akhir fotosintesis, berlangsung di stroma.

b. Fotosistem
Sebenarnya disamping klorofil a, (pigmen berwarna hijau) dikenal pula pigmen-pigmen yang lain seperti klorofil b yang mempunyai struktur mirip klorofil a, yaitu pigmen yang berwarna kuning sampai jingga yang disebut Karoten. Klorofil a dan pigmen yang lain mengelompok dalam membrane tilakoid, dan membentuk perangkat pigmen yang mempunyai fungsi dalam fotosintesis. Klorofil a berada dalam bangunan yang disebut pusat reaksi, menyalurkan electron yang berenergi tinggi karena menyerap sinar ke akseptor utama electron, yang selanjutnya masuk dalam system siklus electron. Klorofil a, yang melepaskan electron berenergi tinggi memperoleh energinya dari cahaya yang berasal dari sekelompok maolekul yang tergolong pada perangkat pigmen yang disebut antene. Unit yang mampu untuk menangkap energi cahaya matahari, yaitu: klorofil a, kompleks antene, dan akseptor electron disebut fotosistem.
Dikenal ada dua macam fotosistem, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Klorofil a dalam fotosistem I disebut juga sebagai P700. disebut demikian karena sensitive terhadap energi cahaya dengan panjang gelombang 700nm, dan menyerap energi ini. Sedangkan klorofil a dalam fotosistem II disebut P680, karena sensitive terhadap panjang gelombang 680nm.
Proses penyerapan energi cahaya yang selanjutnya berdampak pada lepasnya electron berenergi tinggi dari klorofil a, untruk selanjutnya disalurkan dan ditangkap oleh akseptor electron. Proses ini merupakan awal dari proses fotosintesis.
c. Siklus Elektron
Perjalanan electron siklik hanya melibatkan fotodsistem I dan electron berpindah dari akseptor yang satu ke yang lain untuk kemudian kembali ke P700. Selama perpindahan dari akseptor yang satu ke yang lain, terjadi pula transportasi hydrogen bersama-sama dengan electron tersebut. Dari siklus ini yang penting adalah produk akhir yaitu berupa ATP dan tidak dihasilkan NADPH dan O2.
ATP digunakan sebagai energi tinggi yang dapat dimanfaatkan dalam proses biologik sel-sel organisme. Dalam hal ini ATP akan berfungsi dalam pembentukan karbohidrat. Sintesis ATP dalam kloroplas disebut sebagai fotofosforilasi. Disebut demikian karena dalam proses ini terjadi reaksi pembentukan ATP dan ADP dengan hasil bertambahnya ikatan fosfat molekul yang bersangkutan. Melihat prosesnya yang lebih menyeluruh, maka proses ini disebut juga sebagai fotofosforilasi siklik.
Berikut dapat dilihat perbedaan antara perjalanan electron siklik dan yang nonsiklik. Kalau pada electron siklik perjalanan berawal sari P700 dan berakhir pada P700 pula, maka yang non siklik berawal dari P700, tetapi electron yang berenergi tinggi tersebut akan ditangkap oleh akseptorelektron ysang dikenal sebagai NADPH2, dengan melepaskan eketron tersebut maka P700 menjadi molekul dalam keadaan teroksidasi, sehingga mampu untuk menyedot electron yang berenergi tinggi yang terdapat di P680, yang sudah menyerap energi cahaya. Selanjutnya electron tersebut akan mengikuti jalan yang ditempuh oleh electron siklik tetapi tidak kembali ke P700. pada saat electron kehilangan energinya, maka ion H (h+) akan mengalir melalui membrane tilakoid dan mendorong terjadinya sintesis ATP. Proses pembentukan ATP ini adalah suatu fotofosforilasi non-siklik. Yang dimaksud dengan fofforilasi adalah peristiwa bereaksinya senyawa, dalam hal ini ADP dengan asam fosfat: ADP + Pi jadi ATP.
Selanjutnya P680 yang teroksidasi dapat mengambil electron yang berasal dari pemisahan air:
2H2O jadi 2H2 + O2
Catatan:
- Untuk melepaskan sepasang electron diperlukan 4 foton (satuan energi cahaya), 2 foton pada masing-masing fotosistem
- NADPH berasal dari transportasi electron nonsiklik
- ATP yang terjadi berasal dari transportasi siklik
- O2 terjadi pada proses pemisahan air

d. Siklus Calvin
Reaksi-reaksi dalam siklus Calvin yang menghasilkan karbohidrat, yang dalam hal ini adalah glukosa, disebut sebagai reaksi gelap. Sedangkan reaksi yang menggunakan cahaya yang terjadi di dalam klorofil disebut reaksi terang. Pada reaksi terang dihasilkan ATP dan NADPH2, yang kemudian dugunakan dalam reaksi pembentukan glukosa. Selain berperan sebagai sumber fosfat, ATP dipergunakan untuk reaksi-reaksi endergonik, sedangkan NADPH2, dipergunakan sebagai sumber elektronberenergi tinggi. Rentetan reaksi dalam siklus Calvin adalah sebagai berikut:
1. Reaksi pengikatan/fiksasi CO2, oleh suatu molekul senyawa ribulose biphosphate(RBP) yang merupakan suatu persenyawaan yang mengandung atom Csebanyak 5. RBP di Indonesiakan , menjadi ribulose difosfat, disingkat RBP.
2. Reaksi ini membentuk peresenyawaan yang tidak stabil yang mengandung atom C sebanyak 6, untuk kemudian pecah menjadi 2 molekul Phosphoglycerate acid (PGA) diindonesiakan menjadi asam fosfogliserat (APG).
3. Asam fosfogliserat (APG) kemudian mengalami fosforilasi,menambah satu ikatan fosfat, menjadi asam difosfogliserat (3C). Dalam hal ini sumber fosfatnya adalah ATP.
4. Langkah berikutnya adalah proses reduksi karena senyawa tersebut berikatan dengan H2 yang berasal dari NADPH2. Hasil reaksi tersebut adalah persenyawaan phosphoglyceraldehyde (PGAL), yang mengandung atom C sebanyak tiga.
5. Dua molekul PGAL (3C) akan membentuk satu molekul glukosa (6C).
Catatan:
Perlu diketahui bahwa dalam reaksi ini juga dibentuk lagi molekul RDP, yang diperlukan untuk mengikat CO2, sehingga proses sintesis dapat terus berkelanjutan. Jadi sebenarnya reaksi yang terjadi adalah pembentukan glukosa dan RDP
Molekul RDP adalah molekul yang merupakan modal organisme untuk mengikat CO2. molekul tersebut harus selalu ada dalam tubuh tumbuhan hijau. Karbohidrat dipandang penting karena selain sebagai sumber energi juga berperan dalam pembentukan protein dan lemak. Protein merupakan zat pembangun yang dapat digunakan pula sebagai sumber energi. Lemak selain sebagai sumber energi juga merupakan zat utama penyusun membran sel.
Dalam proses pembebasan energi katabolisme, dapat ditunjukkan adanay jalur hubungan timbal balik antara karbohidrat hasil fotosintesis dan lemak serta protein. Mengingat hubungan tersebut bersifat timbal balik maka antara ketiga senyawa yang dapat difungsikan sebagai sumber energi tersebut terjadi peristiwa saling isi mengisi. Asam piruvat dan asetil KoA merupakan jalur utama pembebasan energi dan yang berasal dari karbohidrat, sebelum masuk ke siklus Krebs, mempunyai hubungan timbal balik dengan lemak dan protein, meskipun jalurnya tidak sepenuhnya sama.

b. Kemosintesis
Kemosintesis terjadi pada organisme ototrof, tepatnya kemo-ototrof, yang mampu menghasilkan senyawa organic yang dibutuhkan dari zat-zat anorganik dengan pertolongan energgi kimia. Yang dimaksud dengan energi kimia disini adalah energi yang diperoleh dari suatu reaksi kimiayang berasal dari hasil oksidasi. Kemampuan mengadakan kemosintesis ini dijumpai pada mikroorganisme dan bakteri ototrof. Bakteri sulfur yang tidak berwarna memperoleh energi dari proses oksidasi senyawa H2S. Jangan dikacaukan dengan bakteri sulfur yang berwarna kelabu-keunguan yang mampu mengadakan fotosintesis karena memiliki klorofil, dengan reaksi sebagai berikut:
Cahaya matahari
CO2 + 2H2S menjadi CH2O + 2S + H2O
Klorofil

Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara oksidasi Fe++ (Ferro) menjadi Ferri. Bakteri nitrogen dengan mengadakan oksidasi senyawa tertentu dapat memperoleh energi untuk mensintesis zat organic yang diperlukan. Bakteri Nitrosomonas dan Nitrococcus memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH3 atau tepatnya NH3 yang telah membentuk senyawa ammonium yaitu ammonium karbonat menjadi asaam nitrit, dengan reaksi:
Nitrosomonas
(NH4)2 CO3 + 3O2 menjadi 2HNO2 + CO2 + 3H2O + Energi
(amonium karbonat) Nitrococcus (asam nitrit)


Bakteri nitrogen yang lain, Nitrobacter, mengubah nitrit menjadi nitrat, dengan reaksi sebagai berikut:
Nitrobacter
Ca (NO2)2 + O2 menjadi Ca (NO3)2 + energi
(nitrit) (nitrat)

c. Sintesis Lemak
Lemak disintesis dari protein dan karbohidrat melalui asetil Ko enzim A. Metabolisme gliserol sama caranya dengan metabolisme karbohidrat, yaitu melalui jalan piruvat. Sedangkan untuk mensintesis lemak atau asam lemak diperlukan suatu Ko-enzim A, yang berfungsi untuk memutuskan atau memecahkan dua bagian atom C untuk membentuk asetil Ko-A. Karena pemutusan rantai karbonnya terjadi pada rantai asam lemak, maka reaksinya dinamakan beta oksidasi. Beta oksidasi adalah suatu proses yang berlangsung secara berulang-ulang, sehingga semua atom karbonnya berubah menjadi asetil Ko-A.
Asetil ko-A juga dapat diubah kembali menjadi asam lemak, sehingga reaksi beta oksidasi disebut pula sebagai reaksi Riversible. Piruvat, sebagai hasil akhir metabolisme ghliserol, dan asetil Ko-A bersama-sama akhirnya memasuki siklus asam trikarboksilat yang merupakan langkah terakhirdari metabolisme dalam tubuh. Oksigen yang diperlukan tubuh dalam proses oksidasi lemak untuk menghasilkan energi adalah lebih banyak bila dibandingkan dengan proses oksidasi karbohidrat. Hal ini dimungkinkan karena perbandingan C : H : O molekul lemak jauh lebih besar disbanding dengan molekul karbohidrat. Misalnya perbandingan C : H : O pada molekul tristearin adalah 57 : 110 : 6, sedangkanmolekul glukosa juga memiliki 6 atom oksigen, tetapi perbandingan C : H : O pada glukosa jauh lebih rendah yaitu 6 : 12 : 6. perbandingan ini mengakibatkan nilai pembakaran yang jauh berbeda. Satu gram lemak menghasilkan 9,3 kalori, sedangkan 1 gram karbohidrat hanya menghasilkan 4,1 kalori saja.

d. Sintesis Protein
Sintesis protein di dalam sel tersusun dari asam amino dan terjadi dengan melibatkan DNA, RNA dan ribosom.

Suatu ikatan molekul peptide terbentuk bila gugus amino dari satu asam amino berikatan dengan gugus karboksil dari asam amino lain. Secara berurutan, bila dua asam amino yang bergabung, maka akan terbentuk molekul dipeptida; bila tiga asam amino berikatan maka akan molekul tripeptida dan seterusnya. Dengan demikian bila terjadi penggabungan asam amino dalam jumalh besar, maka akan terbentuk molekul yang disebut sebagai polipeptida.

Pada dasarnya, protein adalah polipeptida.
Setiap sel dari organisme berkemampuan untuk mensintesis protein-protein tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat terjadi karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting sebagai pengatur sintesis protein sel. Substansi tersebut adalah DNA dan RNA.