Biologi Sekolah Menengah Atas · Grades 10–12

4Metabolisme Sel

Rentangkan sebuah balon pada leher labu berisi air gula hangat dengan sesendok ragi roti di dalamnya. Dalam satu jam cairannya keruh dan mendesis, balonnya berdiri, dan labunya berbau samar seperti roti dan bir. Sel ragi itu sedang memakan gulanya dan mengubahnya menjadi sesuatu yang lain, dan gas yang dilepaskannya adalah karbon dioksida yang sama dengan yang kamu embuskan. Daun di bawah matahari berbuat sebaliknya: ia menerima karbon dioksida dan melepaskan oksigen. Keduanya adalah kimia, yang dijalankan di dalam sel, pada suhu tubuh, tanpa nyala dan tanpa asam — dan bab ini membahas kimia itu.

4.1 Metabolisme: kimia sebuah sel

Definisi 4.1 (Metabolisme)

Yang disebut metabolisme sebuah sel adalah himpunan seluruh reaksi kimia yang berlangsung di dalamnya: reaksi yang membongkar molekul untuk melepaskan energi, dan reaksi yang membangun molekul sel itu sendiri dari molekul yang lebih sederhana. Tiap reaksi metabolisme dijalankan oleh sebuah enzim, yaitu protein yang mempercepat satu reaksi tertentu tanpa terpakai olehnya.

Proposisi 4.2 (Enzim membuat kimia sel mungkin)

Glukosa yang dibiarkan di udara pada $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tidak terbakar; di dalam sel ia teroksidasi seluruhnya dalam hitungan menit. Bedanya terletak pada enzimnya: masing-masing mengikat satu molekul tertentu (substrat-nya), mengubahnya menjadi hasil, melepaskannya dan mulai lagi, ribuan kali tiap sekon. Karena itu metabolisme sebuah sel ditetapkan oleh himpunan enzim yang dimilikinya — dan himpunan itu ditetapkan oleh gennya.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Contoh 4.3 (Satu enzim yang sedang bekerja)

Tuangkan hidrogen peroksida pada sepotong hati mentah atau kentang: cairannya berbuih hebat sementara oksigen dilepaskan. Enzim katalase, yang hadir hampir pada setiap sel, memecah peroksida yang beracun itu menjadi air dan oksigen dengan laju jutaan molekul tiap sekon tiap molekul enzim. Rebuslah dahulu hatinya dan tidak terjadi apa-apa: enzimnya, sebuah protein, telah dirusak panas. Peroksida yang tidak berbuih di atas batu menunjukkan bahwa reaksinya tidak berjalan sendiri.

Sebuah enzim mengikat substratnya, mengubahnya dan melepaskan hasilnya, sedangkan dirinya sendiri tidak berubah. Satu molekul enzim dapat mengulang daurnya ribuan kali tiap sekon.

4.2 Dua cara memberi makan sebuah sel

Definisi 4.4 (Autotrofi dan heterotrofi)

Sebuah sel bersifat autotrof jika ia membangun molekul organiknya sendiri dari materi mineral saja — karbon dioksida, air, garam mineral — dengan memakai sumber energi dari luar. Sel tumbuhan berkloroplas, alga dan sebagian bakteri tergolong autotrof, dan sumber energinya adalah cahaya: inilah fotosintesis. Sebuah sel bersifat heterotrof jika ia harus menerima molekul organik yang dibuat organisme lain, baik sebagai bahan bangunan maupun sebagai sumber energi: sel hewan, jamur, sebagian besar bakteri, dan sel tumbuhan yang tidak hijau (akar, misalnya) tergolong heterotrof.

Proposisi 4.5 (Fotosintesis)

Dalam cahaya, sel yang berkloroplas menyerap karbon dioksida dan air, melepaskan oksigen, dan membangun glukosa, yang lalu diubahnya menjadi pati, selulosa, lipid dan, dengan nitrogen mineral, asam amino. Secara ringkas:

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

Energi cahaya tersimpan dalam ikatan kimia glukosanya.

Bukti percobaan. Suspensi alga hijau Chlorella dalam bejana tertutup yang dilengkapi pengukur oksigen memperlihatkan oksigen terlarutnya naik mantap ketika lampunya menyala dan turun ketika lampunya padam; kenaikannya berhenti jika karbon dioksida airnya disingkirkan. Daun yang disimpan dalam gelap selama dua hari tidak lagi terwarnai biru kehitaman oleh iodin, dan daun yang separuhnya tertutup kertas timah hanya terwarnai pada separuh yang terbuka: patinya dibuat di tempat cahaya jatuh. Karbon dioksida radioaktif yang dipasok kepada tumbuhan berakhir dalam gulanya dalam hitungan menit. ∎

Oksigen terlarut dalam suspensi Chlorella yang tertutup. Dalam cahaya alganya melepaskan oksigen lebih cepat daripada yang dipakainya; dalam gelap hanya respirasinya yang tersisa dan oksigennya turun. Tiap kemiringan adalah sebuah laju, yang terbaca dalam miligram tiap liter tiap menit. — Oksigen terlarut dalam suspensi *Chlorella* yang tertutup. Dalam cahaya alganya melepaskan oksigen lebih cepat daripada yang dipakainya; dalam gelap hanya respirasinya yang tersisa dan oksigennya turun. Tiap kemiringan adalah sebuah laju, yang terbaca dalam miligram tiap liter tiap menit.

Contoh 4.6 (Euglena, keduanya sekaligus)

Euglena yang bersel satu punya kloroplas dan berenang dengan bulu cambuk. Dalam cahaya, di dalam air mineral, ia tumbuh: autotrof. Dalam gelap ia hanya bertahan jika molekul organik ditambahkan ke airnya, yang lalu diserapnya: heterotrof. Jika lama disimpan dalam gelap ia kehilangan kloroplasnya; jika dibawa kembali ke cahaya dengan kesabaran beberapa hari ia membuatnya lagi. Metabolismenya bergantung pada gennya, yang membolehkan kedua pilihan itu, dan pada lingkungannya, yang memilih salah satunya.

4.3 Memperoleh energi dari molekul organik

Proposisi 4.7 (Respirasi seluler)

Setiap sel, autotrof maupun heterotrof, memperoleh energi yang terpakai dengan membongkar molekul organik. Bila oksigen tersedia, pembongkarannya lengkap — inilah respirasi seluler, di dalam mitokondria:

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \longrightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} + \text{energi},

sekitar $2870\,\mathrm{kJ}$ tiap mol glukosa ( $180\,\mathrm{g}$ ), yang kira-kira 40% darinya tertangkap dalam molekul kecil, ATP, yang menjadi sandaran setiap proses sel yang menuntut energi — gerakan, pengangkutan, penyusunan; sisanya dilepaskan sebagai panas.

Bukti percobaan. Ragi dalam bejana tertutup dengan pengukur oksigen tidak memakai oksigen selama dibiarkan lapar; tambahkan glukosa dan oksigen terlarutnya turun dengan laju yang mantap sementara karbon dioksida muncul, sampai oksigennya habis. Biji yang berkecambah dalam termos menghangatkan termosnya beberapa derajat dalam sehari — panas respirasinya — sedangkan biji yang direbus tidak. Sel otot yang dilihat dengan mikroskop elektron penuh sesak dengan mitokondria, dan racun mitokondria menghentikan ototnya. ∎

Oksigen terlarut dalam suspensi ragi yang tertutup. Ragi yang dibiarkan lapar hampir tidak memakai apa pun; begitu glukosa ditambahkan, oksigennya turun 1.0\, mg/ L tiap menit — laju respirasinya — sampai oksigennya habis. — Oksigen terlarut dalam suspensi ragi yang tertutup. Ragi yang dibiarkan lapar hampir tidak memakai apa pun; begitu glukosa ditambahkan, oksigennya turun $1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit — laju respirasinya — sampai oksigennya habis.

Definisi 4.8 (Fermentasi)

Tanpa oksigen, sebagian sel hanya membongkar glukosa sebagian, di dalam sitoplasma, menjadi molekul organik yang lebih kecil yang masih menahan sebagian besar energinya: inilah fermentasi. Ragi menjalankan fermentasi alkohol,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} \longrightarrow 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2} + \text{energi},

dan sel otot yang kekurangan oksigen, begitu pula bakteri yoghurt, menjalankan fermentasi laktat, yang mengubah glukosa menjadi asam laktat. Fermentasi menghasilkan ATP kira-kira lima belas kali lebih sedikit tiap glukosa daripada respirasi.

Ragi yang memfermentasi gula dalam sebuah labu: karbon dioksida fermentasi alkohol mengembangkan balonnya. Tanpa oksigen dalam cairannya, gulanya hanya terbongkar sebagian dan etanolnya tertinggal.

Contoh 4.9 (Ragi dengan udara dan tanpa udara)

Ragi yang dialiri gelembung udara memakai glukosa dengan hemat dan tumbuh cepat: ia berespirasi. Ragi yang sama dalam tong tertutup memakai glukosa dengan rakus, sedikit tumbuh dan membuat etanol: ia berfermentasi. Pasteur, yang melukiskan hal ini pada 1861, menyebut fermentasi “kehidupan tanpa udara”; selnya mengalihkan metabolismenya ke jalur mana pun yang dibolehkan lingkungannya, dan, karena fermentasi memberi energi yang sangat sedikit tiap glukosa, sel itu harus menghabiskan gula yang jauh lebih banyak untuk hidup.

Dua aliran metabolisme sel. Fotosintesis menyimpan energi cahaya dalam materi organik; respirasi, pada setiap sel, melepaskannya. Autotrof menjalankan keduanya; heterotrof hanya menjalankan yang kedua dan harus diberi materi organik.

4.4 Apa yang menentukan metabolisme sebuah sel

Proposisi 4.10 (Gen dan lingkungan)

Metabolisme sebuah sel bergantung pada dua hal: pada perlengkapannya — enzim dan organel yang boleh dibangunnya menurut gennya, sehingga sel tanpa klorofil tidak akan pernah dapat berfotosintesis — dan pada lingkungannya — cahaya, oksigen, zat gizi yang tersedia — yang menentukan jalur mana di antara yang mungkin itu yang sungguh berjalan. Ragi berespirasi di udara dan berfermentasi tanpa udara; Euglena bersifat autotrof dalam cahaya dan heterotrof dalam gelap; sel akar tumbuhan hijau bersifat heterotrof seumur hidupnya, diberi makan oleh daunnya.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Metode 4.11 (Membaca sebuah rekaman metabolisme)

Percobaan dengan pengukur oksigen memberi kepekatan terhadap waktu.

Kenali apa yang berubah pada tiap saat yang ditandai (lampu menyala, substrat ditambahkan, oksigen habis).
Baca kemiringan tiap penggal yang lurus: naiknya dibagi mendatarnya, dalam $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit. Kemiringan positif berarti penghasilan bersih oksigen, kemiringan negatif berarti pemakaian bersih.
Ingatlah bahwa sel yang berfotosintesis juga berespirasi: kemiringan dalam cahaya adalah penghasilan dikurangi respirasinya, sehingga laju fotosintesis yang sebenarnya adalah kemiringan terang ditambah besarnya kemiringan gelap.
Setarakan jika diminta: pada kepekatan ini $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ oksigen terlarut sama dengan $1/32$ milimol tiap liter.

Contoh 4.12 (Laju sebenarnya alga itu)

Pada gambar Chlorella, oksigennya naik $2.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ dalam 5 menit cahaya (kemiringan $+0.5$ ) dan turun $0.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ dalam 5 menit gelap (kemiringan $-0.1$ ). Respirasi memakai $0.1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit dalam cahaya juga, sehingga fotosintesis menghasilkan $0.5 + 0.1 = 0.6\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit: enam kali yang dipakai respirasinya. Alga itu adalah penghasil bersih oksigen dan materi organik, dan itulah sebabnya ia tumbuh.

4.5 Latihan

Latihan 4.1 ★

Rumuskan metabolisme, dan nyatakan enzim itu apa dan apa kerjanya.

Solusi

Solusi Latihan 4.1.

Metabolisme adalah himpunan seluruh reaksi kimia dalam sebuah sel, yang membongkar molekul demi energi dan membangun molekul sel itu sendiri. Enzim adalah protein yang mempercepat satu reaksi tertentu, mengikat substratnya dan melepaskan hasilnya, tanpa terpakai habis.

Latihan 4.2 ★

Tuliskan persamaan ringkas respirasi seluler dan fotosintesis. Dalam arti apa yang satu adalah kebalikan yang lain, dan dalam arti apa bukan?

Solusi

Solusi Latihan 4.2.

Respirasi: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + energi. Fotosintesis: $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + cahaya $\to \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ . Neraca materinya secara keseluruhan terbalik; tetapi reaksinya, enzimnya, tempatnya (mitokondria dibandingkan kloroplas) dan sumber energinya (ikatan kimia dibandingkan cahaya) sepenuhnya berbeda.

Latihan 4.3 ★

Golongkan sebagai autotrof atau heterotrof: jamur, lumut, sel akar wortel, chlorella, bakteri yoghurt, sel otot manusia.

Solusi

Solusi Latihan 4.3.

Heterotrof: jamur, sel akar wortel, bakteri yoghurt, sel otot manusia. Autotrof: lumut, chlorella.

Latihan 4.4 ★

Dalam percobaan ragi dan balon, gas apa yang mengembangkan balonnya, hasil cair apa yang menumpuk, dan apa yang tidak dimiliki labunya yang akan mengubah hasilnya?

Solusi

Solusi Latihan 4.4.

Karbon dioksida mengembangkan balonnya; etanol menumpuk dalam cairannya. Labunya kekurangan oksigen: jika udara dialirkan lewat gelembung, raginya akan berespirasi, tidak membuat etanol dan memakai gula jauh lebih sedikit.

Latihan 4.5 ★

Mengapa hati yang direbus tidak lagi membuat hidrogen peroksida berbuih?

Solusi

Solusi Latihan 4.5.

Katalase adalah protein; perebusan merusak bentuknya dan dengan demikian kegiatannya, sedangkan hidrogen peroksida tidak terurai cepat dengan sendirinya.

Latihan 4.6 ★★

Pada gambar raginya, oksigen turun dari $7.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ ke $0.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ antara menit ke-3 dan ke-10. Hitung laju respirasinya dalam $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit. Mengapa lengkungnya mendatar setelah menit ke-10, dan apa yang lalu dilakukan raginya?

Solusi

Solusi Latihan 4.6.

$(7.9 - 0.9)/7 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit. Lengkungnya mendatar karena oksigennya habis; raginya lalu beralih ke fermentasi, yang tidak memakai oksigen.

Latihan 4.7 ★★

Chlorella dalam cahaya memperlihatkan kemiringan oksigen $+0.8$ $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit, dan dalam gelap $-0.2$ . Hitung laju fotosintesisnya.

Solusi

Solusi Latihan 4.7.

$0.8 + 0.2 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tiap menit: kemiringan terangnya adalah penghasilan dikurangi respirasi yang berlanjut dalam cahaya.

Latihan 4.8 ★★

Sebuah sel merespirasikan $18\,\mathrm{g}$ glukosa. Berapa massa oksigen yang dipakainya dan berapa massa karbon dioksida yang dilepaskannya? (Massa molar: glukosa $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\mathrm{O_2}$ $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\mathrm{CO_2}$ $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .)

Solusi

Solusi Latihan 4.8.

$18\,\mathrm{g}$ sama dengan $0.1\,\mathrm{mol}$ glukosa; ia memerlukan $0.6\,\mathrm{mol}$ oksigen, $0.6 \times 32 = 19.2\,\mathrm{g}$ , dan melepaskan $0.6\,\mathrm{mol}$ karbon dioksida, $0.6 \times 44 = 26.4\,\mathrm{g}$ .

Latihan 4.9 ★★

Kacang polong yang berkecambah dalam termos menaikkan suhunya $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dalam sehari; kacang yang direbus tidak. Jelaskan kedua hasilnya, dan sebutkan mengapa termosnya tidak boleh tertutup rapat udara.

Solusi

Solusi Latihan 4.9.

Kacang polong yang berkecambah merespirasikan cadangannya dan melepaskan panas; kacang yang direbus sudah mati, enzimnya rusak, sehingga tidak ada reaksi dan tidak ada panas. Jika tertutup rapat udara, oksigennya akan habis dan respirasinya berhenti.

Latihan 4.10 ★★

Sehelai daun hijau disimpan dalam gelap selama 48 jam, lalu separuhnya ditutup kertas hitam dan tumbuhannya ditaruh di bawah matahari selama sehari. Iodin lalu diteteskan. Ramalkan dan jelaskan hasilnya pada tiap separuh, dan sebutkan mengapa 48 jam kegelapan itu diperlukan.

Solusi

Solusi Latihan 4.10.

Separuh yang terbuka terwarnai biru kehitaman (pati yang dibuat lewat fotosintesis dalam cahaya); separuh yang tertutup tidak. Kegelapan selama 48 jam itu membiarkan daunnya menghabiskan pati sebelumnya, sehingga pati yang ditemukan berasal dari cahaya hari itu.

Latihan 4.11 ★★

Jelaskan mengapa ragi dalam tong tertutup memakai gula jauh lebih cepat, tiap sel, daripada ragi yang dialiri gelembung udara.

Solusi

Solusi Latihan 4.11.

Fermentasi menghasilkan ATP kira-kira lima belas kali lebih sedikit tiap glukosa daripada respirasi; untuk memperoleh ATP yang diperlukannya, sel yang berfermentasi harus membongkar gula lima belas kali lebih banyak tiap menit.

Latihan 4.12 ★★★

Otot pelari cepat terasa nyeri dan mengasam setelah lomba 400 meter. Jelaskan apa yang terjadi dalam sel ototnya, mengapa itu terjadi, dan mengapa otot pelari yang sama tidak mengasam selama berlari pelan.

Solusi

Solusi Latihan 4.12.

Selama lombanya, kebutuhan ATP ototnya melampaui oksigen yang dapat diantar darahnya; selnya beralih ke fermentasi laktat, yang hasilnya, yaitu asam laktat, lalu menumpuk. Dalam lari pelan pasokan oksigennya mengimbangi, respirasi sendirian menyediakan ATP-nya, dan tidak ada asam yang dibuat.

Latihan 4.13 ★★★

Euglena yang disimpan sebulan dalam gelap dengan makanan organik kehilangan kloroplasnya, tetapi keturunannya memperolehnya kembali dalam cahaya. Faktor mana dari kedua faktor Proposisi 4.10 yang berubah dan mana yang tidak? Apa yang dibuktikan pemulihan itu tentang gen selnya?

Solusi

Solusi Latihan 4.13.

Lingkungannya berubah (tanpa cahaya, dengan makanan organik); gennya tidak. Keturunannya membangun kembali kloroplasnya, sehingga petunjuknya tidak pernah hilang: yang hilang adalah perlengkapan yang terpakai, bukan kemungkinan yang dibolehkan gennya.

Latihan 4.14 ★★★

Sebuah akuarium tertutup memuat air, seekor siput dan sebuah tumbuhan air, dalam cahaya. Jelaskan bagaimana kedua organisme itu masing-masing dapat bertahan berbulan-bulan, apa yang dipasok masing-masing kepada yang lain, dan apa yang terjadi jika akuariumnya disimpan dalam gelap.

Solusi

Solusi Latihan 4.14.

Tumbuhannya berfotosintesis dalam cahaya, memasok oksigen dan materi organik (daun yang dimakan siputnya); siputnya berespirasi, memasok karbon dioksida kepada tumbuhannya. Dalam gelap tumbuhannya hanya berespirasi: keduanya memakai oksigen, tidak ada yang menghasilkannya, dan keduanya mati dalam beberapa hari.

Latihan 4.15 ★★★

Respirasi satu glukosa menghasilkan sekitar 30 ATP, fermentasi 2. Sebuah sel ragi memerlukan jumlah ATP yang tetap tiap menit untuk hidup. Hitung berapa kali lipat glukosa yang harus dipakainya tiap menit ketika berfermentasi; lalu jelaskan mengapa pembuat bir menjauhkan udara dari tongnya walaupun itu “memboroskan” gula.

Solusi

Solusi Latihan 4.15.

$30/2 = 15$ kali lebih banyak glukosa tiap menit. Pembuat bir menginginkan etanol, yang hanya dibuat fermentasi; ragi yang berespirasi akan mengubah gulanya menjadi karbon dioksida, air dan ragi yang lebih banyak, tanpa alkohol.

4.6 Soal: Tong Pembuat Anggur

Soal 4.1

Soal akhir pekan — setong sari buah anggur yang diserahkan kepada ragi: alkohol yang akan dikandungnya, gas yang akan dilepaskannya, panas yang akan dibuatnya, dan mengapa ruang bawah tanah dapat menjadi tempat yang berbahaya

Sari buah anggur memuat sekitar $200\,\mathrm{g}$ gula tiap liter, yang kita ambil sebagai glukosa, dan tanpa oksigen terlarut begitu tongnya ditutup. Massa molar: glukosa $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , etanol $\mathrm{C_2H_5OH}$ $46\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , karbon dioksida $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , oksigen $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Massa jenis etanol $0.79\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . Satu mol gas menempati sekitar $24\,\mathrm{L}$ pada suhu ruang bawah tanah. Tongnya bermuatan $1000\,\mathrm{L}$ .

Bagian I — Apa yang dibuat raginya.

Jalur mana yang dipakai raginya dalam tong tertutup itu, dan mengapa? Tuliskan persamaannya.
Berapa mol glukosa yang dimuat satu liter sarinya?
Hitung massa etanol yang dihasilkan tiap liter, lalu volumenya, lalu kadar alkohol anggurnya dalam persen menurut volume.
Hitung massa karbon dioksida yang dihasilkan tiap liter sarinya, dan volumenya sebagai gas.
Untuk seluruh tongnya, berapa volume karbon dioksida yang dilepaskan? Bandingkan dengan volume ruang bawah tanah berukuran $4\,\mathrm{m}$ kali $6\,\mathrm{m}$ kali $2.5\,\mathrm{m}$ .

Bagian II — Seandainya raginya beroleh udara.

Tuliskan persamaan yang akan diikuti raginya jika sarinya terus dialiri udara.
Hitung massa oksigen yang diperlukan untuk merespirasikan gula satu liter sarinya, dan massa karbon dioksida yang dilepaskan.
Bandingkan karbon dioksida pada pertanyaan 7 dengan karbon dioksida pada pertanyaan 4, dan jelaskan bedanya dari sejauh mana glukosanya terbongkar.
Respirasi menghasilkan sekitar 30 ATP tiap glukosa dan fermentasi 2. Jika raginya memerlukan ATP yang sama pada kedua hal itu, pada hal mana gulanya bertahan lebih lama, dan dengan faktor berapa?
Jelaskan mengapa pembuat anggur tetap menjauhkan udara.

Bagian III — Panas tongnya. Fermentasi melepaskan sekitar $70\,\mathrm{kJ}$ panas tiap mol glukosa; memanaskan $1\,\mathrm{kg}$ air sebesar $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ menuntut $4.2\,\mathrm{kJ}$ .

Hitung panas yang dilepaskan tiap liter sarinya, lalu untuk seluruh tongnya.
Jika tidak ada satu pun panas itu yang lolos, berapa suhu tongnya akan naik? (Ambil sarinya sebagai air.)
Enzim ragi rusak di atas sekitar $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Mulai dari $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , apakah tong tanpa pendingin akan bertahan? Apa yang diberitahukannya tentang mengapa tong besar didinginkan?
Jelaskan, dengan Proposisi 4.2, mengapa panas menghentikan fermentasi walaupun gulanya masih ada.
Respirasi akan melepaskan sekitar $2870\,\mathrm{kJ}$ tiap mol. Di mana energi yang tidak dilepaskan fermentasi itu tinggal?

Bagian IV — Ruang bawah tanahnya.

Karbon dioksida lebih rapat daripada udara. Di bagian mana ruang bawah tanah itu ia menumpuk, dan mengapa lilin menyala yang dibawa rendah menjadi uji keselamatan yang lazim?
Sel seorang pekerja, jika kekurangan oksigen, akan beralih ke jalur yang mana — dan mengapa tubuh manusia tidak dapat hidup dengan jalur itu lebih dari beberapa menit?
Fermentasinya berhenti dengan sendirinya ketika alkoholnya mencapai sekitar 15% menurut volume. Usulkan penjelasannya dalam istilah enzim raginya.
Adonan roti memakai ragi yang sama selama satu jam. Apa isi gelembung dalam remahnya, dan ke mana etanolnya pergi setelah dipanggang?
Nyatakan hasilnya: untuk satu liter sarinya, kadar alkoholnya dan volume gas yang dihasilkan — serta satu kenyataan metabolisme yang menjelaskan keduanya.

Solusi

Solusi Soal 4.1.

1. Fermentasi alkohol, karena tong yang tertutup itu tidak memuat oksigen: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} \to 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2}$ .

2. $200/180 \approx 1.11\,\mathrm{mol}$ .

3. Etanol $2 \times 1.11 = 2.22\,\mathrm{mol}$ , yaitu $2.22 \times 46 \approx 102\,\mathrm{g}$ ; volumenya $102/0.79 \approx 129\,\mathrm{mL}$ ; sekitar 13% menurut volume.

4. $2.22 \times 44 \approx 98\,\mathrm{g}$ karbon dioksida; $2.22 \times 24 \approx 53\,\mathrm{L}$ gas.

5. Sekitar $53\,000\,\mathrm{L}$ $= 53\,\mathrm{m}^{3}$ . Ruang bawah tanahnya bervolume $4 \times 6 \times 2.5 = 60\,\mathrm{m}^{3}$ : gas yang dilepaskan akan hampir mengisinya.

6. $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ .

7. Oksigen $6 \times 1.11 = 6.67\,\mathrm{mol}$ , $6.67 \times 32 \approx 213\,\mathrm{g}$ ; karbon dioksida $6.67 \times 44 \approx 293\,\mathrm{g}$ .

8. Tiga kali lebih banyak: respirasi mengubah keenam karbon glukosanya menjadi karbon dioksida, fermentasi hanya dua, sedangkan empat lainnya tinggal dalam etanolnya.

9. Dengan respirasi, lima belas kali lebih lama: tiap glukosa memberi ATP lima belas kali lebih banyak.

10. Etanol hanya dibuat lewat fermentasi; tong yang dialiri udara akan memberi karbon dioksida, air dan ragi, tanpa anggur.

11. $1.11 \times 70 \approx 78\,\mathrm{kJ}$ tiap liter; $78\,000\,\mathrm{kJ}$ , yaitu $78\,\mathrm{MJ}$ , untuk seluruh tongnya.

12. $78/4.2 \approx 18.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

13. $20 + 18.5 \approx 38.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : tepat di tepi batas raginya, dan ruang bawah tanah yang hangat akan mendorongnya melampaui batas. Tong yang besar melepaskan panas dengan lambat karena permukaannya kecil dibandingkan volumenya, sehingga ia harus didinginkan dengan sengaja.

14. Enzim adalah protein; panas membuka lipatannya dan enzimnya berhenti bekerja. Tanpa enzimnya, raginya tidak dapat mengubah gulanya, sebanyak apa pun yang tersisa.

15. Dalam ikatan kimia etanolnya: sekitar $2800\,\mathrm{kJ}$ tiap mol glukosa, dan itulah sebabnya etanol terbakar.

16. Di lantai, dalam lapisan yang menebal seiring berjalannya fermentasi. Lilin yang dibawa rendah padam di tempat karbon dioksida telah menggeser oksigennya — sebuah peringatan sebelum orangnya terkena.

17. Fermentasi laktat. Jalur itu menghasilkan ATP lima belas kali lebih sedikit; otak dan jantung tidak dapat memenuhi kebutuhannya dengan cara itu, dan asam laktatnya menumpuk. Hilangnya kesadaran menyusul dalam satu atau dua menit.

18. Etanol pada kepekatan yang tinggi merusak membran dan enzim raginya: hasil sel itu sendiri meracuni metabolismenya.

19. Gelembungnya berisi karbon dioksida dari fermentasi. Etanolnya menguap dalam oven (etanol mendidih pada $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

20. Sekitar 13% alkohol menurut volume dan $53\,\mathrm{L}$ gas tiap liter sarinya; keduanya mengikuti dari raginya yang memfermentasi, tanpa oksigen, tiap glukosa menjadi dua etanol dan dua karbon dioksida.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium