CAMPBELL-REECE : Fosforilasi Oksidatif (Bagian 2), Kemiosmosis

Membran dalam mitokondria atau membran plasma prokariota ditempati oleh banyak komplek protein yang disebut ATP sintase (ATP synthase). ATP sintase merupakan enzim yang membuat ATP dari ADP dan fosfor anorganik. ATP sintase bekerja seperti pompa ion yang bekerja terbalik.

Pompa ion biasanya menggunakan ATP sebagai sumber energi untuk mentraspor ion melawan gradiennya, sedangkan pada ATP sintase menggunakan energi dari gradien ion yang ada untuk melakukan sistesis ATP. Sumber tenaga bagi ATP sintase adalah perbedaan konsentrasi H+ di kedua sisi membran dalam mitokondria.

Proses ini menggunakan energi yang tersimpan dalam bentuk gradien ion hidrogen di kedua sisi membran untuk menggerakkan kerja seluler seperti sintesis ATP. Proses ini dinamakan kemiosmosis.

Pertanyaan selanjutnya yang muncul adalah bagaimana aliran H+ melalui enzim sebesar ini (ATP sintase) mampu memberikan tenaga bagi pembentukan ATP. Enzim ATP sintase adalah kompleks multi subunit dengan empat bagian utama, yang masing-masing terdiri dari banyak polipeptida.

Proton  (H+) bergerak satu per satu menuju ke dalam situs pengikatan salah satu bagian (rotor), hal ini mengakibatkan rotor berputar sedemikian rupa sehingga mengkatalis produksi ATP dari ADP dan fosfat anorganik. Dapat kita bayangkan bahwa aliran proton berlaku seperti aliran sungai yang menggerakkan turbin atau kincir air.

ATP sintase merupakan motor putar molekular terkecil di alam. Para peneliti telah melakukan percobaan untuk mendemonstrasikan bahwa arah rotasi salah satu bagian kompleks protein tersebut terhadap bagian yang lain merupakan satu-satunya hal yang menyebabkan sistesis ATP.

Membran dalam mitokondria mampu mempertahankan gradien H+ yang menggerakkan sintesis ATP dikarenakan rantai transpor elektron. Seperti yang kita ketahui pada postingan sebelumnya bahwa rantai transpor elektron menggunakan aliran eksergonik elektron dari NADH dan FADH2 untuk memompa H+ menuju ruang antar membran, di sisi lain H+ mempunyai kecenderungan untuk bergerak kembali melintasi membran dengan berdifusi menuruni gradiennya, dan ATP sintase murupakan satu-satunya saluran bagi H+ untuk menembus membran.

ATP sintase memanfaatkan aliran eksergonik H+ di kedua sisi membran akan menggandengkan reaksi redoks pada rantai transpor elektron dengan sintesis ATP, hal ini merupakan salah satu contoh kemiosmosis.

Pada saat proses transpor elektron pada rantai transpor elektron, rantai transpor elektron akan menerima dan melepaskan proton (H+) bersamaan dengan elektron, dimana larutan berair di dalam dan di sekeliling sel merupakan sumber H+ yang mudah diperoleh. Dalam sel eukariot pembawa elektron tersusun secara spasial di dalam membran, sehingga H+ di terima matriks mitokondria dan ditampung di ruang antar membran. Gradien H+ yang dihasilkan dinamakan gaya gerak proton (proton-motive force), gaya tersebut menggerakkan H+ kembali melintasi membran melalui saluran yang disediakan ATP sintase.

Dengan menggunakan istilah umum, kemiosmosis dapat dikatakan mekanisme penggandengan-energi yang menggunakan energi yang tersimpan dalam bentuk gradien H+ di kedua sisi membran untuk menggerakkan kerja seluler. Dalam mitokondria energi untuk kemiosmosis berasal dari reaksi eksergonik (rantai transpor elektron) dan sintesis ATP merupakan kerja yang dilakukan.

Selain pada mitokondria kemiosmosis juga terjadi tempat lain, seperti kloroplas. Kloroplas menggunakan energi kemiosmosis untuk membuat ATP selama fotosintesis. Selain itu, pada prokariota penggunaan gaya gerak proton tidak hanya untuk membuat ATP dalam sel, namun juga untuk merotasi flagelanya, memompa nutrien, dan zat buangan melintasi membran.

CAMBELL-REECE : Fosforilasi Oksidatif (Bagian 1), Jalur Transpor Elektron

Tahapan glikolisis dan siklus asam sitrat pada peristiwa respirasi sel menghasilkan empat buat ATP melalui mekanisme siklus fosforilasi tingkat substrat. Dua ATP dari proses glikolisis dan dua ATP dari siklus asam sitrat. Pada akhir siklus asam sitrat molekul NADH dan FADH2 menampung sebagian besar energi yang diekstrasikan dari glukosa.

NADH dan FADH2 akan menghubungkan glikolisis dan siklus asam sitrat ke fosforilasi oksidatif, menggunakan energi yang dilepaskan oleh rantai transpor elektron untuk memberikan tenaga dalam sintesis ATP.

Hal pertama dari fosforilasi oksidatif dalam respirasi yang akan kita bahas pada postingan ini adalah Jalur Tranpor Elektron.

Rantai Transpor Elektron adalah sekumpulan molekul yang berada di membran dalam mitokondria pada sel eukariot (pada sel prokariot molekul tersebut berada di membran plasma). Bentuk membran dalam mitokondria yang berlipat memberikan luas permukaan yang lebih besar, sebagai ruang untuk ribuan salinan rantai transpor elektron. Sebagian besar komponen rantai transpor elektron adalah protein, yang terdapat sebagai kompleks multiprotein dari nomor I sampai IV. Gugus prostetik merupakan komponen nonprotein yang penting bagi fungsi katalitik enzim-enzim tertentu, terikat pada protein rantai transpor elektron.

Elektron dalam rantai transpor elektron akan berpindah dari satu rantai ke rantai yang lain secara menurun. Selama berlangsung proses transpor elektron tersebut di sepanjang rantai, pembawa elektron bergantian tereduksi dan teroksidasi. Setiap rantai menjadi tereduksi ketika menerima elektron dari rantai diatasnya, dan teroksidasi ketika melepas elektron ke rantai dibawahnya.

Pada gambar rantai transpor elektron di atas, elektron akan memasuki kompleks I. NADH akan mentransfer elektron ke molekul pertama pada rantai transpor elektron, molekul ini bernama flavoprotein (karena memiliki gugus protein flavin mononukleotida). Dalam reaksi redoks berikutnya, flavoprotein akan kembali ke bentuk teroksidasi ketika meneruskan elektron ke besi-sulfur (FeS), kemudian molekul besi-sulfur akan meneruskan elektron ke ubikuinon (disimbolkan Q). Molekul ubikuinon ini merupakan molekul hidrofobik kecil, dan satu-satunya anggota rantai transpor elektron yang bukan protein. Ubikuinon dapat bergerak secara bebas dalam membran, bukan menetap pada satu kompleks tertentu.

Sebagian besar pembawa protein antara elektron dan ubikuinon adalah sitrokrom, gugus prostetik sitokrom (disebut grup hem) memiliki atom besi yang menerima dan menyumbangkan elektron. Rantai transfer elektron memiliki beberapa tipe sitokrom dimana masing-masing merupakan protein berbeda dengan gugus hem pembawa elektron yang berbeda pula. Sitokrom terakhir pada rantai transfer elektron meneruskan elektronnya ke oksigen yang sangat elektronegatif, dan masing-masing atom oksigen mengambil sepasang ion hidrogen dari larutan berair dalam sel sehingga membentuk air.

Sumber lain untuk rantai transfer elektron selain NADH adalah FADH2. FADH2 menambahkan elektronnya pada rantai transpor elektron di kompleks II, di tingkat energi yang lebih rendah daripada NADH. Sehingga walaupun NADH dan FADH2 menyumbangkan jumlah elektron yang sama untuk reduksi oksigen, rantai transpor elektron menyediakan energi untuk sintesis ATP sekitar sepertiga lebih sedikit saat penyumbangnya adalah FADH2.

Rantai transpor elektron tidak membuat ATP secara langsung, tetapi rantai ini memudahkan kejatuhan elektron dari glukosa ke oksigen. Menguraikan penurunan energi bebas dalam jumlah besar menjadi serangkaian langkah yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi dalam jumlah yang lebih mudah dikelola.

Sedangkan bagaimana mitokondria menggandengkan transpor elektron dan pelepasan energi dengan sintesis ATP, yaitu dengan suatu mekanisme yang disebut kemiosmosis. Pembahasan tentang kemiosmosis akan saya tuliskan pada postingan selanjutnya.

Bersambung ....

CAMPBELL-REECE : Siklus Asam Sitrat Menyelesaikan Oksidasi Molekul Organik Yang Menghasilkan Energi

Pada peristiwa Glikolisis, kurang dari seperempat energi kimia dalam glukosa dilepaskan dan sebagian besar dari energi kimia tersebut terdapat dalam dua molekul piruvat. Jika ada oksigen molekular maka piruvat akan memasuki mitokondria (pada sel eukariot), ketika enzim-enzim dari siklus asam sitrat menyelesaikan oksidasi glukosa. Pada sel prokariot, proses ini terjadi di sitosol.

Saat piruvat memasuki mitokondria melalui transpor aktif, hal pertama yang terjadi adalah piruvat diubah menjadi senyawa asetil koenzim A atau asetil CoA. Peristiwa ini merupakan persambungan antara glikolisis dan siklus asam sitrat yang diselesaikan oleh suatu kompleks multi enzim yang mengkatalis tiga reaksi, yaitu :

1. Gugus karboksil (-COO) piruvat yang telah dioksidasi sepenuhnya sehingga hanya memiliki sedikit energi kimia akan disingkirkan dan dilepaskan dalam bentuk karbon dioksida (CO2).
2. Fragmen berkarbon dua yang tersisa akan dioksidasi dan membentuk senyawa yang dinamakan asetat (bentuk terionisasi dari asam asetat). Suatu enzim akan mentransfer elektron-elektron yang terekstraksi ke NAD+ dan menyimpan energi dalam bentuk NADH.
3. Koenzim A (CoA), suatu senyawa yang mengandung sulfur dari vitamin B dilekatkan ke asetat oleh suatu ikatan yang tidak stabil yang membuat gugus asetat (asetat yang melekat) menjadi sangat reaktif. Karena sifat kimia gugus CoA, produk penyimpanan kimiawi ini yaitu asetil CoA memiliki energi potensial yang tinggi. Dengan kata lain reaksi asetil CoA yang menghasilkan produk-produk yang berenergi lebih rendah sangat eksergonik. Molekul tersebut kini siap memasuki gugus asetilnya ke dalam siklus asam sitrat untuk dioksidasi lebih lanjut.

Siklus asam sitrat disebut juga siklus asam trikarboksilat atau siklus krebs. Siklus ini berfungsi seperti tungku metabolik yang merangkum masukan dan keluaran ketika piruvat diubah menjadi tiga molekul karbon dioksida (termasuk karbon dioksida yang dilepaskan ketika pengubahan piruvat menjadi asetil CoA). Siklus ini menghasilkan satu ATP tiap putaran melalui fosforilasi tingkat subtrat.

Sebagian besar energi kimia pada reaksi asam sitrat ditransfer ke NAD+ dan koenzim FAD dalam reaksi redoks. Koenzim akan tereduksi, NADH dan FADH2 akan mengulang-alikkan muatannya yang berupa elektron berenergi tinggi ke rantai transpor elektron. Langkah reaksi asam sitrat dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Untuk setiap gugus asetil yang memasuki siklus asam sitrat 3 NAD+ akan direduksi menjadi NADH, selain itu FAD akan menerima dua proton dan dua elektron menbentuk FADH2. Pada banyak jaringan hewan langkah kelima pada siklus asam sitrat akan menghasilkan guanosin trifosfat (GTP). GTP merupakan molekul yang serupa dengan ATP dalam struktur dan fungsi selulernya. GTP dapat digunakan untuk membentuk ATP atau langsung digunakan untuk memberikan tenaga bagi kerja dalam sel. Hasil keluaran pada langkah kelima pada siklus asam sitrat menunjukkan satu-satunya ATP yang dihasilkan langsung pada siklus ini.

Sebagian besar ATP yang dihasilkan pada respirasi terbentuk dalam fosforilasi oksidatif ketika NADH dan FADH2 yang diproduksi dalam siklus asam sitrat meneruskan elektron-elektronnya ke rantai transpor elektron. NADH dan FADH2 mampu menyuplai energi yang dibutuhkan untuk fosforilasi ADP menjadi ATP.

TMFCBTAKM, Aplikasi CBT untuk persiapan AKM

Assesmen Nasional Berbasis Komputer (ANBK) merupakan kegiatan baru dari pemerintah sebagai pengganti dari UNBK. ANBK merupakan AKM yang dilaksanakan berbasis komputer secara nasional. Antara ANBK dan UNBK memiliki beberapa perbedaan mendasar, seperti jumlah peserta, jenis soal, dan materi soal yang akan dihadapi peserta didik.

Jika dulu dalam pelaksanaan ANBK pesertanya adalah seluruh peserta didik kelas sembilan, sedangkan pada ANBK pesertanya adalah peserta didik kelas delapan, dan diambil secara sampling sebanyak 40 orang. 

Jenis soal pada ANBK lebih beragam. Tidak hanya pilihan ganda, namun terdapat juga jenis soal lain seperti pilihan jamak, isian, uraian, dan menjodohkan. Selain itu soal ANBK mengacu pada AKM, dimana peserta didik harus terbiasa dengan soal yang memiliki teks panjang atau menampilkan banyak data untuk di analisis. Dari segi materi, materi ANBK lebih sederhana seperti literasi, numerasi, survey karakter, dan survey lingkungan.

Untuk dapat melalui ANBK dengan maksimal, maka peserta didik harus berlatih dengan mengerjakan berbagai jenis soal selain pilihan ganda. Sehingga diperlukan media atau software cbt yang mirip dengan yang digunakan dengan ANBK kelak. Setelah mencari di internet, saya menemukan sebuah aplikasi cbt yang cukup memenuhi untuk digunakan sebagai sarana berlatih mengerjakan soal AKM dengan berbasis komputer.

Aplikasi tersebut adalah"tmfcbtakm", aplikasi ini dapat di unduh secara gratis di github, karena aplikasi ini bersifat open sources. Merujuk pada laman aplikasi di github, aplikasi ini merupakan pengembangan dari aplikasi TMF (TCEcxam Mobile Friendly) yang disesuaikan dengan kebutuhan untuk ANBK. Aplikasi ini ringan dan gesit, serta cocok digunakan untuk berbagai jenis mata pelajaran dan jenjang pendidikan.

Aplikasi ini menyediakan berbagai jenis soal, selain itu dapat dijalankan secara online maupun offline. Untuk latihan peserta didik, aplikasi ini dapat di install di komputer lokal dengan menggunakan XAMPP sebagai web server dan databasenya.

Saya berencana untuk menginstall apikasi ini di komputer lokal sebagai sarana bagi peserta didik untuk berlatih mengerjakan soal seperti pada ANBK nanti. Dalam tulisan ini saya masih mereview aplikasi ini, dan untuk instalasi, pengaturan, dan penggunaan akan saya tulis pada postingan berikutnya di blog ini. Semoga instalasi aplikasi ini mudah dan membantu dalam persiapan peserta didik dalam menghadapi ANBK. 

Sekilas Tentang AKM

Assesmen Kompetensi Minimum (AKM) merupakan kompetensi minimum atau dasar yang harus dikuasai peserta didik untuk mengembangkan kapasitas diri dan berpartisipasi positif pada masyarakat. Terdapat dua kompetensi yang diukur pada AKM, yaitu kompetensi literasi dan kompetensi numerasi. 

Literasi membaca didefinisikan sebagai kemampuan untuk memahami, menggunakan, mengevaluasi, merefleksikan berbagai jenis teks tulis untuk mengembangkan kapasitas individu sebagai warga indonesia dan warga dunia, serta dapat berkontribusi positif pada masyarakat. Sedangkan Numerasi adalah kemampuan berpikir menggunakan konsep, prosedur, fakta, dan alat matematika untuk menyelesaikan masalah sehari-hari pada berbagai jenis konteks yang relevan untuk individu sebagai warga indonesia dan warga dunia.

Untuk memastikan AKM dapat mengukur kompetensi yang diperlukan dalam kehidupan, serta sesuai dengan pengertian literasi membaca dan numerasi, soal AKM diharapkan tidak hanya mengukur topik atau konten tertentu tetapi berbagai konten, berbagai konteks dan pada beberapa tingkat proses kognitif.

Konten pada literasi membaca dibedakan menjadi teks informasi dan teks fiksi. Sedangkan pada numerasi, konten dibedakan menjadi empat kelompok yaitu bilangan, pengukuran dan geometri, data dan ketidakpastian, serta aljabar.

Konteks menunjukkan aspek kehidupan atau situasi pada konten yang digunakan. Konteks pada AKM dibedakan menjadi tiga, yaitu personal, sosial budaya, dan saintifik. Penjelasan mengenai komponen AKM ada pada gambar di bawah ini.

Tulisan ini menyadur dari modul digital "AKM dan implikasinya pada pembelajaran" yang diterbitkan oleh pusat penilaian pembelajaran Kementerian pendidikan dan kebudayaan tahun 2020.

Perbedaan PBL dan PjBL

Dalam Kurikulum 2013 yang telah berjalan beberapa tahun ini, kegiatan pembelajaran lebih menekankan pada pendekatan saintifik. Pendekatan saintifik menitik beratkan pada eksplorasi dengan menggunakan metode ilmiah untuk mengumpulkan data dan menarik kesimpulan dari suatu peristiwa atau permasalahan. Dalam Kurikulum 2013 banyak model pembelajaran yang disarankan, dimana model pembelajaran tersebut dapat menerapkan pendekatan saintifik.

Model pembelajaran yang disarankan dalam buku guru pada Kurikulum 2013 antara lain model pembelajaran inkuiri, model pembelajaran berdasarkan masalah  atau PBL (problem based learning), serta model pembelajaran berdasarkan proyek atau PjBL (project based learning).

Diantara sekian banyak model pembelajaran yang ada, dalam tulisan ini saya ingin menuliskan pendapat atau pemahaman saya mengenai dua model pembelajaran terakhir pada paragraf di atas, yaitu problem based learning (PBL) dan project based learning (PjBL).

PBL merupakan pembelajaran yang diawali dengan adanya permasalahan, peserta didik ditantang untuk dapat memecahkan masalah yang ada. Masalah tersebut dapat berasal dari permasalahan yang ada dalam kehidupan sehari-hari atau permasalahan yang "sengaja" diciptakan guru untuk membuat peserta didik tertantang mencari solusi dari permasalahan tersebut, dan tentu saja membuat peserta didik menguasai materi pelajaran yang sedang diajarkan.

Dalam pemecahan masalah, peserta didik akan menggunakan segala upaya untuk mencari referensi dan sumber data yang mendukung pemecahan masalah. Kegiatan mencari informasi dan data, serta berdiskusi dan membuat inferensi merupakan bagian dari pendekatan saintifik. Hasil akhir dari PBL adalah solusi atau jalan keluar yang didapatkan peserta didik untuk mengatasi masalah yang ada. Hasil akhir dapat berupa sebuah ide atau gagasan atau kesimpulan yang relevan untuk pemecahan masalah. 

Secara tidak langsung dalam proses pemecahan masalah, peserta didik akan secara aktif untuk belajar dan pada akhirnya menguasai materi pelajaran yang sedang diajarkan. Dalam PBL guru harus dapat mengontrol kegiatan pembelajaran, sehingga peserta didik dapat terfokus memecahkan permasalahan yang ada, bukan melebar ke topik yang lain.

Sedangkan PjBL merupakan model pembelajaran yang diawali dengan adanya proyek yang harus dibuat atau dikerjakan siswa. Sekilas PBL dan PjBL memang hampir mirip, namun dalam sintaks dan hasil akhir pembelajaran memiliki perbedaan. Pada PjBL hasil akhir pembelajaran adalah produk yang dibuat peserta didik. Produk tersebut dapat berupa rancang bangun suatu produk, atau bahkan produk itu sendiri.

Dalam PjBL hasil akhir yang dibuat peserta didik merupakan salah satu komponen penilaian. Produk peserta didik harus memenuhi kriteria dari proyek yang dilaksanakan. Sehingga produk dan presentasi peserta didik atas produk yang dibuat merupakan hal yang penting dalam model pembelajaran ini.

Dalam menentukan model pembelajaran yang akan dipakai, guru harus mempertimbangkan kompetensi inti dan kompetensi dasar yang harus dikuasai peserta didik. Setelah menganalisis KI dan KD, guru dapat menentukan model pembelajaran yang sesuai, dan tentu saja model pembelajaran tersebut harus disesuaikan dengan karakteristik peserta didik. Dengan memperhatikan banyak komponen dalam menentukan model pembelajaran yang sesuai, maka kegiatan pembelajaran yang optimal dapat dilaksanakan.

Model pembelajaran hanya merupakan salah satu aspek dalam pembelajaran, banyak aspek lain yang menunjang proses pembelajaran. Dengan demikian guru harus bijak dalam merencanakan pembelajaran, sehingga hasil akhir berupa pemahaman peserta didik yang maksimal akan materi yang dipelajari dapat tercapai dengan maksimal.

Catatan Seorang Guru : Setelah Beberapa Bulan Melaksanakan PTM

Sudah sekitar hampir tiga bulan sejak tahun ajaran baru 2021/2022 dimulai, pembelajaran di sekolah saya telah dilaksanakan secara tatap muka. Pada bulan pertama, pembelajaran dilaksanakan dengan tatap muka terbatas. Dimana peserta didik belajar di sekolah sebanyak dua kali seminggu, sedangkan hari yang lain dilaksanakan pembelajaran secara daring.

Namun sekarang setelah tiga bulan berjalan, kegiatan pembelajaran telah dilaksanakan secara penuh, dimana peserta didik masuk ke sekolah setiap hari dan tanpa ada pembatasan jumlah peserta didik. Hal ini dikarenakan jumlah peserta didik di sekolah kami tidak banyak sehingga memungkinkan untuk dapat masuk semua tanpa bergiliran.

Respon peserta didik terhadap dilaksanakan PTM ini sangat positif. Mungkin peserta didik telah lama rindu akan suasana belajar di sekolah. Walaupun pembelajaran secara daring terlihat keren dan canggih, tapi ada sesuatu yang hilang dalam pembelajaran daring, yaitu interaksi sosial antar manusia. Walaupun komunikasi dapat dilaksanakan dengan moda daring seperti video call atau chatting, namun hal itu tidak dapat menggantikan nilai yang kita rasakan saat kita berinteraksi satu sama lain secara langsung.

Namun pembelajaran secara tatap muka ini bukan berarti akan berjalan terus tanpa masalah, masalah yang ditakutkan muncul adalah naiknya angka positif Covid-19 di masyarakat. Jika nilai positif Covid-19 naik maka dapat diperkirakan pembelajaran akan dikembalikan lagi ke moda daring. Sehingga keberlangsungan pembelajaran tatap muka bergantung dari peran serta masyarakat dalam menekan angka penularan virus Covid-19.

Salah satu syarat agar dapat melaksanakan pembelajaran tatap muka adalah seluruh pendidik dan tenaga kependidikan dalam satuan pendidikan telah melaksanakan vaksinasi. Hal ini dilakukan untuk memberikan "jaminan keamanan" untuk guru saat berinteraksi dengan peserta didik, yang secara teori memiliki daya tahan atau imunitas lebih tinggi daripada guru.

Selain itu penerapan protokol kesehatan yang ketat saat pelaksanaan PTM merupakan hal yang wajib dilaksanakan. Saat peserta didik datang maka sudah ada petugas yang melakukan cek suhu, menyuruh untuk cuci tangan, dan selalu mengingatkan untuk memakai masker. Tentu kita harus realistis dimana mendisplinkan peserta didik untuk patuh prokes akan membutuhkan upaya yang ekstra. Hal ini dikarenakan pada jenjang SD atau SMP peserta didik masih dalam tahap anak-anak yang keinginan bermainnya sangat tinggi dan terkadang abai terhadap peraturan yang ada. Maka, guru harus sabar dan selalu mengingatkan peserta didik.

Terakhir kita berdoa agar wabah Covid-19 ini segera berakhir dan kegiatan dapat kembali normal seperti dahulu, walaupun tentu tidak akan bisa sama seperti dulu. Kita berharap kegiatan sosial di masyarakat dan kegiatan pembelajaran di sekolah dapat berjalan dengan baik, aman, dan dalam lindungan Allah swt. Aamiin.