Bioproses pada Sel: Transpor Membran dan Metabolisme — Materi Biologi SMA

Beranda › Learning Hub › Biologi SMA › F.2 Bioproses sel

Jari keriput setelah lama berendam, roti yang manis setelah dikunyah lama, tapai yang beralkohol, dan daun yang menghasilkan oksigen — semuanya bioproses di tingkat sel. Halaman ini membahas bagaimana zat melewati membran, bagaimana enzim bekerja, dan dua jalur metabolisme utama: respirasi (katabolisme) dan fotosintesis (anabolisme).

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menerapkan prinsip-prinsip bioproses yang terjadi di dalam sel. Panduan membaginya menjadi pergerakan zat melalui membran (transpor pasif dan aktif) dan metabolisme (struktur dan kerja enzim, faktor yang memengaruhi aktivitasnya, respirasi sel, dan fotosintesis), dengan percobaan seperti osmosis pada kentang, katalase hati ayam, dan uji fotosintesis.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Membedakan difusi, osmosis, transpor aktif, endositosis, dan eksositosis.
Menjelaskan komponen dan cara kerja enzim serta menafsirkan grafik pengaruh suhu, pH, dan inhibitor.
Menyebutkan tempat dan hasil setiap tahap respirasi aerob; membandingkan fermentasi alkohol dan asam laktat.
Menjelaskan reaksi terang dan siklus Calvin serta faktor yang memengaruhi laju fotosintesis.

📚Materi

1. Transpor melalui membran

Transpor pasif (tanpa energi, mengikuti gradien konsentrasi): difusi zat terlarut dari konsentrasi tinggi ke rendah (O₂, CO₂); difusi terfasilitasi lewat protein saluran (glukosa, air melalui akuaporin); osmosis perpindahan air melalui membran selektif permeabel dari larutan hipotonis ke hipertonis.
Transpor aktif (memerlukan ATP, melawan gradien): pompa natrium-kalium, penyerapan ion mineral oleh akar.
Endositosis (fagositosis, pinositosis) dan eksositosis memindahkan partikel besar dengan vesikel.

Sel hewan dalam larutan hipotonis menggembung dan dapat pecah (lisis); dalam larutan hipertonis mengerut (krenasi). Sel tumbuhan dalam larutan hipertonis mengalami plasmolisis — membran lepas dari dinding sel. Larutan isotonis tidak menyebabkan perpindahan air neto; karena itu cairan infus dibuat isotonis dengan darah.

2. Enzim

Enzim adalah biokatalisator (umumnya protein) yang menurunkan energi aktivasi. Apoenzim (bagian protein) + kofaktor (ion logam atau koenzim organik seperti vitamin B) = holoenzim. Substrat terikat pada sisi aktif: model kunci-gembok (bentuk pas sejak awal) dan induced fit (sisi aktif menyesuaikan bentuk saat substrat terikat).

Dua grafik aktivitas enzim. Kiri: aktivitas terhadap suhu naik sampai optimum sekitar 37 derajat lalu turun tajam karena denaturasi. Kanan: aktivitas terhadap pH; pepsin optimum pada pH 2, tripsin optimum pada pH 8. — Setiap enzim memiliki suhu dan pH optimum. Di atas suhu optimum, enzim terdenaturasi.

Suhu: aktivitas naik sampai suhu optimum; di atasnya bentuk sisi aktif rusak (denaturasi, tidak dapat pulih). Suhu rendah hanya menonaktifkan sementara.
pH: pepsin di lambung optimum pada pH asam, tripsin di usus halus pada pH basa lemah.
Konsentrasi substrat dan enzim: menambah laju sampai semua sisi aktif terisi (jenuh).
Inhibitor kompetitif menempati sisi aktif (bersaing dengan substrat); nonkompetitif terikat di tempat lain dan mengubah bentuk sisi aktif. Contoh: sianida menghambat enzim respirasi sehingga sel kekurangan ATP.

3. Respirasi seluler (katabolisme)

\[ \mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + energi\ (ATP)} \]

Empat tahap respirasi aerob berurutan: glikolisis di sitoplasma menghasilkan 2 piruvat, 2 ATP, 2 NADH; dekarboksilasi oksidatif di matriks mitokondria menghasilkan 2 asetil-KoA, 2 NADH, 2 CO2; siklus Krebs di matriks menghasilkan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2, 4 CO2; transpor elektron di membran dalam menghasilkan sekitar 34 ATP dan air. — Tahap respirasi aerob dan hasilnya per satu molekul glukosa.

Tanpa oksigen, piruvat masuk ke fermentasi untuk mendaur ulang NAD⁺ sehingga glikolisis tetap berjalan, dengan hasil hanya 2 ATP:

Fermentasi alkohol (ragi): piruvat → etanol + CO₂ — tapai, roti, tuak.
Fermentasi asam laktat (otot saat kekurangan O₂, bakteri yoghurt): piruvat → asam laktat, tanpa CO₂. Penumpukan asam laktat terkait rasa lelah otot.

4. Fotosintesis (anabolisme)

\[ \mathrm{6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{cahaya, klorofil}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \]

Reaksi terang di membran tilakoid: cahaya diserap klorofil, air dipecah (fotolisis) melepaskan O₂, dihasilkan ATP dan NADPH.
Siklus Calvin (reaksi gelap) di stroma: CO₂ diikat RuBP (enzim rubisko), lalu direduksi memakai ATP dan NADPH menjadi gula.
Faktor pembatas: intensitas cahaya, konsentrasi CO₂, suhu, dan air. Laju naik seiring faktor itu sampai faktor lain yang menjadi pembatas.

Percobaan klasik: Ingenhousz (gelembung O₂ dari Hydrilla di bawah cahaya) dan Sachs (daun yang sebagian ditutup kertas timah, direbus, dilunturkan klorofilnya dengan alkohol, lalu ditetesi iodin — hanya bagian yang terkena cahaya berwarna biru kehitaman karena mengandung amilum).

✏️Contoh soal

Hydrilla diletakkan pada jarak berbeda dari lampu. Jumlah gelembung per menit: 10 cm → 42, 20 cm → 25, 30 cm → 12, 40 cm → 5. Apa kesimpulan percobaan ini, dan apa variabel bebas, terikat, serta kontrolnya?

Makin dekat lampu, intensitas cahaya makin besar dan gelembung O₂ makin banyak. Kesimpulan: laju fotosintesis meningkat dengan meningkatnya intensitas cahaya.

Variabel bebas: jarak lampu (intensitas cahaya). Terikat: jumlah gelembung per menit. Kontrol: jenis dan panjang tanaman, suhu dan volume air, kadar CO₂ (misalnya NaHCO₃ yang sama), dan lama pengamatan.

Periksa. Data menurun teratur ketika jarak bertambah — konsisten dengan kesimpulan.

Jebakan. Lampu dekat juga memanaskan air. Suhu harus dijaga (misalnya dengan wadah air penyaring panas) agar yang diuji benar-benar cahaya.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Mengapa sayur yang ditaburi garam mengeluarkan air?

Garam membuat lingkungan sel hipertonis, sehingga air keluar dari sel secara osmosis (plasmolisis).

2. Mengapa enzim yang dipanaskan sampai 80 °C tidak aktif lagi walaupun didinginkan kembali?

Enzim terdenaturasi: struktur protein dan bentuk sisi aktifnya rusak secara permanen sehingga tidak dapat mengikat substrat.

3. Di mana siklus Krebs berlangsung, dan apa hasilnya per glukosa?

Di matriks mitokondria; menghasilkan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂, dan 4 CO₂.

4. Bandingkan hasil fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.

Keduanya menghasilkan 2 ATP. Fermentasi alkohol menghasilkan etanol dan CO₂; fermentasi asam laktat hanya menghasilkan asam laktat (tanpa CO₂).

5. Hasil reaksi terang apa yang dipakai pada siklus Calvin?

ATP dan NADPH. (O₂ dilepas ke udara, tidak dipakai pada siklus Calvin.)

6. Sianida menghambat enzim pada rantai transpor elektron. Mengapa zat ini sangat berbahaya?

Transpor elektron menghasilkan sebagian besar ATP. Jika terhambat, sel hanya memperoleh sedikit ATP dari glikolisis, sehingga sel yang butuh banyak energi (saraf, jantung) cepat mati.

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Biologi SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

Paket 1 · Soal 6 PG — Menginterpretasi pengaruh pH terhadap aktivitas enzim dari grafik.
Paket 1 · Soal 7 PGK Kategori — Mengidentifikasi tempat dan hasil setiap tahap respirasi seluler dari skema.
Paket 1 · Soal 8 PG — Menyimpulkan pengaruh intensitas cahaya terhadap laju fotosintesis dari data percobaan.
Paket 1 · Soal 9 PG — Menganalisis dampak senyawa penghambat enzim terhadap metabolisme sel.
Paket 2 · Soal 6 PG — Mengidentifikasi hasil reaksi terang fotosintesis yang digunakan pada siklus Calvin.
Paket 2 · Soal 7 PG — Menginterpretasi pengaruh suhu terhadap aktivitas dua enzim dari grafik.
Paket 2 · Soal 8 PGK Kategori — Membandingkan fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.
Paket 2 · Soal 9 PG — Menyimpulkan hasil percobaan fotosintesis dengan uji iodin pada daun yang sebagian ditutup.