Karotenoid dari pikmen sampai sel surya · dipandang sangat esensial untuk memahami kelakuan dan fungsi fisiologi pikmen tesebut. Apa itu karotenoid? Pemahaman yang mendalam tentang

Yang terhormat,

• Koordinator Kopertis Wilayah VI Jawa Tengah,

• Ketua dan Sekretaris Pembina, Pengawas dan Pengurus Yayasan

Perguruan Tinggi Kristen Satya Wacana,

• Rektor dan Pembantu Rektor Universitas Kristen Satya Wacana,

• Senator Universitas Kristen Satya Wacana,

• Dekan, Wakil Dekan dan Kaprogdi serta pimpinan unit di UKSW,

• Bapak/lbu dosen dan pegawai,

• Para mahasiswa yang saya cintai,

• Para tamu undangan.

Salam sejahtera untuk kita semua.

Pertama-tama perkenankan saya mengucapkan syukur kepada Tuhan

Yang Maha Kuasa, karena hanya berkat dan kemurahan-Nya kita semua

boleh berada di tempat ini dan saya boleh berdiri di sini dengan sukacita.

Adalah suatu kehormatan bagi saya ketika Universitas Kristen Satya

Wacana memberi kesempatan kepada saya untuk menyampaikan pidato

pengukuhan jabatan fungsional akademik guru besar (profesor) dalam

bidang ilmu fisika.

Saya menyadari bahwa guru besar atau profesor adalah jabatan

akademik tertinggi dalam karir seorang dosen. Adalah mustahil untuk

meraihnya tanpa cam pur tangan Tuhan melalui orang-orang yang dipilih

Nya. Oleh sebab itu, perkenankan saya menyampaikanterima kasih yang

sebesar-besarnya kepada:

• Seluruh keluarga saya, terlebih istri saya Helti beserta anak-anak

kami Novenadya Angela dan Nathanael Ito yang selalu setia

Ill

Karotenoid; Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio

mendukung saya bukan hanya dalam masa-masa senang tapi

juga dalam masa-masa sulit, terlebih ketika saya harus

meninggalkan mereka selama tugas belajar ataupun tugas saya

sebagai dosen.

• Para Guru saya dari SO sampai SMA dan para dosen semasa

saya kuliah.

• Promotor saya Prof. Yasutaka Watanabe dan Prof. Yasushi

Koyama di KGU-Jepang serta sahabat saya yaitu Prof. liang-Ping

Zhang dari Chinese Academy of Science, China. Mereka semua

yang telah membawa saya mengembara dalam dunia

fotosintesis.

• Bapak Willy Toisuta yang meminta saya untuk tetap tinggal

berkarya di UKSW ketika saya selesai kuliah S1 di UKSW tahun

1992, bapak John Titaley yang mendorong dan menopang say a

dalam menyelesaikan seluruh proses pengusulan berkas guru

besar, bapak Kris H. Timotius dan bapak John J. 0. I. lhalauw,

yang mendukung saya selama studi.

• Semua staf dosen di Fakultas Sains dan Matematika serta

Program Studi Magister Biologi.

• Seluruh mahasiswa yang telah mendedikasikan waktu dan

energinya selama melakukan riset bersama saya.

Hadirin yang saya hormati:

Menurut data dari Renewables Energy Policy Network for 21'1 Century

(REN21) dalam Renewables 2012 Global Status Report bahwa 81 persen

konsumsi energi dunia saat ini berasal dari energi fosil yaitu batubara,

minyak bumi dan gas. Energi fosil itulah yang kita gunakan untuk

melakukan hampir seluruh aktivitas manusia, mulai dari penerangan,

II

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri12013

' transportasi, proses produksi, internet, komunikasi telpon, bahkan

mungkin berfoya-foya. Semua 'kemewahan', yang kita nikmati itu dan

bahkan makanan yang kita makan sehari-hari untuk mempertahankan

kelangsungan hid up ha nya mungkin tersedia melalui suatu proses yaitu

fotosintesis. Fotosintesis adalah proses penangkapan cahaya oleh

organisme fotosintetik dan melalui serangkaian reaksi redoks, cahaya

itu diubah menjadi glukosa dan energi lain yang lebih stabil sehingga

dapat tersimpan jutaan tahun lamanya.

Terdapat dua komponen utama yang menjadi syarat perlu suatu proses

fotosintesis berlangsung. Salah satu dari kedua komponen itu adalah

karotenoid. Komponen lainnya adalah klorofil. Hanya melalui pikmen

pikmen itulah energi matahari dapat dikonversi menjadi energi

berkualitas tinggi untuk kehidupan di bumi. Energi matahari yang sampai

ke bumi luar biasa besarnya. Diperkirakanjumlah energi matahari yang

mencapai permukaan bumi dalam satu jam saja setara dengan konsumsi

energi dunia selama satu tahun. Oleh karena itu, sebagai penghubung

vital antara energi matahari dan semua kehidupan di bumi maka

dipandang sangat esensial untuk memahami kelakuan dan fungsi

fisiologi pikmen tesebut.

Apa itu karotenoid?

Pemahaman yang mendalam tentang karotenoid memerlukan dedikasi

dari banyak ilmuwan dan memakan waktu puluhan bahkan ratusan

tahun lamanya. Karotenoid pertama kali diisolasi tahun 1831 oleh

Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder meskipun baru pada tahun

1906-1911 dapat dimurnikan dengan penemuan kromatografi oleh

Tswett. Kemajuan ini mendorong R. Wilsstatter bekerja keras dalam

bidang kimia karotenoid yang akhirnya membawanya menerima hadiah

Nobel tahun 1915. Paul Karrer {1937) dan Richard Kuhn {1938) juga

memperoleh hadiah nobel karena usahanya menemukan struktur dan

Ill


kimia karotenoid. Setelah itu sejumlah ilmuwan ternama dari berbagai

disiplin ilmu bekerja keras dan mendedikasikan waktu serta pikirannya

untuk memahami kelakuan karotenoid.

Karotenoid adalah kelompok pikmen yang menghasilkan aneka warna.

Pikmen itulah yang memberikan warna ungu, merah, oranye dan kuning

pada daun, buah, bunga dan akar. Nama karotenoid berasal dari kata

carrot (wortel, Daucus carota). Warna oranye pada wortel tidak lain

adalah P-karoten (salah satu dari ratusan keluarga karotenoid). Contoh

lain karotenoid adalah likopen dan astaksantin. Likopen menyebabkan

tomat berwarna merah kekuning-kuningan sedangkan astaksantin

menyebabkan warna oranye yang biasanya nampak pada udang dan

kepiting. Pada daun, kartenoid tersamar oleh warna hijau klorofil.

Namun, seiring dengan proses penuaan daun, klorofil akan hancur dan

kehilangan warnanya sedangkan karotenoid tetap bertahan sehingga

warnanya semakin dominan dengan urutan penampakan mulai dari

kuning lalu berangsur-angsur menjadi merah atau sebaliknya.

Ketersediaan karotenoid di a lam san gat berlimpah baik dari segi jumlah

maupun jenisnya. Karotenoid dapat dijumpai pada daun, buah-bahan,

akar bahkan mikro organisme fotosintetik. Pada wortel terdapat 10-50

miligram karotenoid (utamanya P-karoten) sedangkan pada mangga

terdapat 5-6 miligram karotenoid dan pada pepaya terdapat 1-2 miligram

karotenoid setiap kilogram berat mentahnya [1]. Likopen banyak

terdapat pada tomat. Setiap 1 kgtomat mengandung 50-100 miligram

likopen. Saat ini terdapat lebih dari 700 macam karotenoid yang berhasil

disintesis meskipun baru sekitar 200-an jenis karotenoid alamiah

(biosynthesized) berhasil ditemukan [2].

Karotenoid bukan sekedar pewarna namun memiliki kandungan nutrisi

dan antioksidan. p-karoten sangat penting karena sifatnya sebagai

provitamin A. Tubuh manusia, mampu mengubah secara ensimatik P-

II

Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri/2013

karoten menjadi vitamin A. Oleh sebab itu pemenuhan vitamin A dapat

dilakukan dengan cara mengkonsumsi p-karoten dari sayur atau buah

buahan. Salah satu keuntungan mengkonsumsi karotenoid ketimbang

vitamin A adalah terkendalinya penumpukan vitamin A dalam jaringan

tubuh. Vitamin A akan terakumulasi ketika dikonsumsi secara berlebihan.

Sayangnya akumulasi ini memberi dampak negatif. Diketahui bahwa

kelebihan vitamin A akan bersifat racun. Mengkonsumsi sekali dalam

dosis besar (> 0,7 mmol, 200 mg, 660 000 IU oleh orang dewasa atau

separuhnya untuk anak-anak} menyebabkan efek akut seperti mual,

muntah, sa kit kepala, dan penglihatan kabur. Dengan dosis yang sangat

tinggi (500 mg} dan dikonsumsi secara terus-menerus menyebabkan

kerusakan tulang dan hati [3]. Dalam tubuh manusia, P-karoten

dikonversi menjadi vitamin A dengan jumlah yang sesuai kebutuhan.

Selanjutnya sisa P-karoten akan terbuang keluar tubuh.

Penyakit-penyakit degeneratif seperti kanker utamanya dipicu oleh stres

oksidatif dan serangan radikal be bas pad a struktur sel oleh spesis-spesis

oksigen reaktif (ROS} yang meliputi 102

, OH", 02"- dan H

20

2• ROS tidak

dapat dihindari secara permanen karena selalu dihasilkan oleh tubuh

man usia. Oksigen singlet dalam keadaan eksitasi (102 *} sangat reaktif

dan karenanya paling berbahaya di antara ROS. Jadi satu-satunya cara

menghindari kerusakan sel karena serangan ROS itu adalah memotong

rantai propagasi dengan pemadaman (quench} atau penyantapan

(scavenge} ROS tersebut dengan menggunakan substansi yang disebut

antioksidan.

Karotenoid adalah antioksidan yang mampu memotong rantai propagasi

oksidatif melalui mekanisme pertukaran energi eksitasi (quenching

mechanism}. Oksigen dalam keadaan eksitasi dengan konfigurasi singlet

mempertukarkan energi melalui tumbukan resonansi dalam bentangan

pendek dengan karotenoid singlet yang energinya masih berada pada


keadaan dasar. Akibatnya oksigen dalam keadaan eksitasi kembali ke

keadaan dasar dengan membalikkan arah spin elektron. Total spin akhir

(s) oksigen ini adalah s=1 atau disebut triplet (2s+1 = 3, untuk s=1). Di

sisi lain, karotenoid akan menerima energi eksitasi singlet dengan cara

tereksitasi sambil bermanufer membalikkan spin 1 elektron agar spin

total sistem kekal. Akibatnya spin karotenoid berubah dari X+ (-X)= 0

(singlet) menjadi X+ X= 1 (triplet). Syarat mekanisme ini berlangsung

adalah bahwa energi relatif karotenoid (kar) harus sedikit lebih rendah

daripada energi eksitasi singlet. Secara sederhana proses terse but dapat

dituliskan melalui reaksi:

Oksigen triplet dan karotenoid triplet adalah spesis yang tidak sensitif

terhadap keberlanjutan rantai oksidatif stress. Energi triplet tersebut

dapat didisipasikan menjadi kalor yang sama sekali aman terhadap

sistem biologi. Karotenoidjuga berinteraksi dengan radikal bebas dengan

3 cara berbeda yaitu melalui (1) mekanisme transfer ~ektron, (2)

abstraksi hidrogen dan (3) adisi (lihat pustaka [4]).

Penelitian-penelitian yang lebih lanjut memang masih diperlukan untuk

menunjukkan secara meyakinkan bahwa karotenoid dapat mencegah

kanker meskipun bukti-bukti yang diperoleh secara epidemolog telah

menunjukkan indikasi bahwa mengkonsumsi karotenoid melalui tomat

sebagai bagian dari diet berkorelasi positif terhadap kecilnya jumlah

kasus penderita kanker [5].

Struktur Energi dan Dinamika Karotenoid

Meskipun manfaat karotenoid semakin jelas namun dinamika terinci

tentang interaksi karotenoid dengan cahaya serta peran fisiologinya di

luar fotosintesis masih kabur. Aplikasi karotenoid yang lebih luas

membutuhkan informasi yang mendalam tentang struktur dan dinamika

Ill

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April 2013

' karotenoid 'bebas' maupun 'terikat' pada kompleks pikmen-protein.

Dalam konteks inilah karakterisasi karotenoid secara fisika menjadi

penting.

Struktur dasar karotenoid terdiri dari delapan unit isoprenoid

hidrokarbon C40

yang tergandeng menyerupai rantai karbon dengan

ikatan rangkap (C=C) dan ikatan tunggal (C-C) tertata dengan urutan

sa ling bergantian. Sifat optik karotenoid ditentukan oleh jumlah ikatan

rangkap karbon yang berturutan itu atau biasa disebut kromofor. Ciri

optik yang dapat diperoleh langsung dari kromofor adalah spektrum

serap yang menggambarkan interaksinya dengan cahaya. lnformasi ini

dapat diakses melalui spektroskopi serap keadaan tunak (steady-state

absorption spectroscopy).

C40

H58

nerosporen (n = 9)

C40

H56 likopen (n = 11)

C41 H580 anhidrorodovibrin (n = 12)

Gam bar 1. Struktur molekul dari lima jenis karotenoid yang berbeda.

II


Gam bar 1 menunjukkan lima macam struktur karotenoid dengan jumlah

ikatan rangkap (n) yang berbeda yaitu: nerosporen (n = 9), speroiden (n

= 10), likopen (n = 11), anhidrorodovibrin (n = 12), dan spiriloksantin (n

= 13). Spektrum serap kelima karotenoid terse but pad a pel a rut n-heksan

ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak spektrum akan bergeser secara

sistematik dari biru ke merah (bathochromic shift) ketika jumlah ikatan

rangkap (n) bertambah. lni berarti bahwa kita dapat menala (tuning)

warna yang diinginkan dengan memanipulasi jumlah ikatan rangkap (n).

Secara visual warna karotenoid pada pelarut organik ditunjukkan pada

Gambar 3, sedangkan karotenoid yang terikat pada pikmen-protein

dalam penyangga tris HCL ditunjukkan pad a Gambar 4. Penalaan warna

dapat diperluas dengan memanipulasi komposisi pelarut. Dengan

komposisi yang tepat, warna-warna karotenoid dapat diakses mulai dari

warna oranye kemerah-merahan sampai ungu tua.

Ill

________ ,...

400 500 Panjang gelombang (nm)

Gambar 2. Spektrum serapan elektronik karotenoid (dari atas ke bawah) dengan n = 9- 11 pada pelarut n-heksan.

Pidato Pengukuhan Guru Besar 1 Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013

Gambar 3. Warna (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen, speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin pada pelarut n-heksan

Gambar 4. Warn a (dari kiri ke kanan) karotenoid nerosporen, speroiden, likopen, anhidrorodovibrin dan spiriloksantin pada penyangga tris HCL.


Secara fisika, paling mudah memperlakukan karotenoid seperti rantai

karbon sederhana (poliena) yang taat pada sistem simetri C2

h.

Berdasarkan simetri tersebut tingkat energi singlet karotenoid yang

terkuantisasi dapat diklasifikasikan ke dalam kelompok k1A -, JlB -, m1 A+ g u g

dan n18 -[6,7]. Superskrip '1' menandai keadaan-keadaan energi singlet; u

+ dan - adalah tanda Pariser yang menyatakan simetri konfigurasi

elektronik; g (gerade) dan u (ungerade) mewakili varitasgenap dan ganjil

dari fungsi gelombang total; sedangkan k, l m dan n adalah urutan

kuantisasi singlet yang mempunyai kesamaan simetri mulai dari tingkat

yang terendah ke tinggi. Terkait dengan transisi optik foton tunggal dari

11A- (keadaan dasar) yang taat pad a kaidah seleksi maka tingkat-tingkat g

energi m1A- and n 18- dapat dikatagorikan sebagai transisi optik g u

'dibolehkan' sedangkan tingkat energi k1A- and JlB- adalah transisi g u

optik 'dilarang'. Tingkat-tingkat energi singlet yang ditentukan dengan

pengukuran profil eksitasi resonansi Raman (RREPs) untuk karotenoid

yang memiliki n = 9-13 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 telah

didokumentasikan dengan baik [8-11]. Melalui eksperimen RREPs itu,

dua tingkat energi singlet 11B -dan 31A- yang diprediksi secara teoritis u g

dari model rantai poliena berhasil diidentifikasi.

Selama hampir 20 tahun, penelitian-penelitian yang dilakukan untuk

memahami secara spesifik karakteristik fisis kedua tingkat energi singlet

terse but terhalang oleh dua hal; (1) kedua tingkat energi ini merupakan

keadaan 'gelap' dimana transisi eletronik dari keadaan dasar 11A-g

terlarang secara optik, (2) waktu hid up mereka sangat singkat sehingga

dinamikanya sulit ditelusuri. Penelitian-penelitian tersebut baru

memperoleh momentum ketika teknologi laser Ti:saphire berhasil

membangkitkan pulsa stabil sependek beberapa puluh femto detik (1

femto detik = 0,000000000000001 detik) sehingga mencapai tingkat

yang memuaskan untuk diaplikasikan pada eksperimen dengan

konfigurasi time resolved absorption. Kemajuan teknologi laser dengan

II


pulsa sependek inilah yang memungkinkan ditelusurinya kejadian

kejadian pada proses awal fotosintesis.

Waktu yang diperlukan karotenoid menangkap foton cahaya dan

menyimpannya dalam bentuk energi eksitasi ternyata hanya beberapa

puluh pikodetik (1 pikodetik = 1000 femto detik). Menelusuri dengan

seksama proses sesingkat itu membutuhkan observasi konsekutif paling

sedikit 10 kali setiap 1 pikodetik, suatu interval waktu ultra singkatyang

membutuhkan peralatan ultra cepat.lnstrumen elektronik tercepat scrat

ini memiliki respons 1000 kali lebih lambat daripada yang diperlukan

untuk tujuan tersebut di atas. Oleh sebab itu rekayasa optika dan

kemajuan dalam teknologi laser seperti yang dijelaskan sebelumnya

mutlak diperlukan untuk membangun mesin spektroskopi serap pisah

waktu (time-resolved absorption spectroscopy). Sejumlah eksperimen

dengan spektroskopi ultra cepattersebut, dikombinasikan dengan teknik

analisis global menggunakan dekomposisi nilai-nilai singular,

membimbing kita sampai pada beberapa informasi,-pehtin~ tentang

skema konversi energi eksitasi secara internal pada karotenoid dan

mekanisme pembentukan keadaan triplet melalui reaksi fisi intramolekuler.

Secara singkat dinamika eksitasi energi singlet karotenoid dapat

digambarkan seperti pada Gam bar 5. Energi foton cahaya dapat diserap

oleh karotenoid melalui transisi elektronik dari keadaan dasar 11A- ke g

keadaan eksitasi 11B •. Keadaan eksitasi 11B • bertahan selama beberapa u u

puluh femto detik. Energi tersebut selanjutnya didisipasikan menuju

tingkat energi 21A- melalui 11B- (dan 31A -) menggunakan mekanisme g u g

konversi internal dan redistribusi vibrasi [10]. Segera setelah tingkat

energi 11B - terpopulasi maka teramati pula bahwa karotenoid u

melakukan silang inter sistem ke tingkat energi triplet. Artinya karotenoid

triplet dapat diinduksi dari tingkat energi singlet 11Bu- melalui

mekanisme fisi intramolekuler [12], apalagi karotenoid all-trans yang

menyerupai rantai lurus itu mudah terpuntir. Fenomena ini tidak lazim

II


karena formasi triplet biasanya memerlukan dua atau lebih molekul

energetik yang sa ling bertumbukan. Tentu mekanisme ini secara praktis

sangat sulit terjadi dalam skala waktu kurang dari 1 pikodetik.

Singlet Triplet

Gambar 5. Tingkat tenaga singlet dan triplet karotenoid dan jalan disipasi energi eksitasi. (-) eksitasi karena serapan foton, ("···) konversi internal, (--) konversi singlet-triplet (intersystem crossing)

Pada tingkat energi 21~, sebagian energi didisipasikan menuju keadaan

dasar melalui proses konversi internal dan sebagiannya lagi

didedikasikan untuk membentuk keadaan triplet [13]. Hasil ini memberi

petunjuk bagaimana karotenoid mentrasformasikan energinya pada

(bakterio)klorofil terdekat dalam kompleks pikmen-protein melalui

kanal-kanal tingkat energi donor 11 8~>+, 11Bu- dan 21AI1-. Diduga bahwa

tingkat-tingkat energi aktifdalam pembentukan karotenoid triplet adalah

llBu- dan 21~. Manipulasi tingkat-tingkat energi ini memberi informasi

penting pada efektivitas karotenoid dalam proses membendung

propagasi radikal bebas penyebab kanker itu.

Karotenoid Dalam Kompleks Pikmen-protein (Antena)

Oalam konteks fotosintesis, karotenoid memiliki dwi fungsi yaitu sebagai

(1) pemanen cahaya (light-harvester) dan (2) pelindung paparan sinar

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013

matahari (photo-protector). Sebagai pe~anen cahaya, karotenoid

menyerap cahaya pad a panjang gelombang 350-550 nm. Cahaya yang

diterima oleh karotenoid dipindahkan, dalam bentuk energi eksitasi, ke

(bakterio)klorofil dalam waktu kurang dari 1 nano detik. Sebagai

pelindung papa ran sinar matahari, karotenoid berfungsi mendisipasikan

ekses energi menjadi kalor [14].

Seringkali karotenoid tidak ditemukan 'bebas' dalam organisme

fotosintesis namun terikat secara non-kovalen pada dua macam

kompleks pikmen-protein yang dikenal dengan nama light-harvesting 1

(LH1) dan light-harvesing 2 (LH2). Pad a tumbuhan hijau, antena terse but

terkonsentrasi pada daun sedangkan pada bakteri terletak pada

membran sel.

Bakteri fotosintesis adalah model yang paling sederhana untuk

mendalami mekanisme panen cahaya. Bangun dasar LH2 terdiri dari

sepasang polipeptida-a dan -13 yang mengandung tiga bakterioklorofil

(BChl) dan sebuah karotenoid yangterikat secara non-kovalen. Struktur

LH2 dari Rps. acidophila ditemukan, untuk pertama kalinya,

menggunakan kristalografi sinar-X dengan resolusi mencapai 2,4 A [15].

Beberapa saat kemudian ditemukan pula struktur untuk LH2 dan Rsp.

molischianum [16]. Struktur LH2 Rsp. molischianum ditunjukkan pada

Gambar 6. Struktur tersebut terdiri dari dua silinder sesumbu yang

dibentuk oleh enambelas heliks (warna biru dan ungu). Setiap satuan

pasangan mengikat dua macam BChl (semua berwarna hijau) yang

serapannya muncul pad a panjang gelombang 800 nm dan 850 nm. Oleh

karena itu, BChl tersebut berturut-turut disimbolkan dengan 'B800' dan

'B850'. Delapan buah molekul B800 tertata sedemikian rupa sehingga

bidang makrosikliknya hampir sejajar dengan bidang membran (bidang

permukaan halaman buku ini). Sebaliknya enam belas B850 membentuk

cincin di mana bidang makrosikliknya tertata tegak lurus pada bidang

lEI


membran. Molekul B850 dan B800 membentuk cincin dengan diameter

kira-kira 46A (pusat ke pusat BChl). Delapan buah karotenoid all-trans

dengan sedikit memuntirterbentang di antara cincin B800 dan B850.

Gam bar 6. Struktur LH2 dari Rsp. molischianum (a) dilihat dari arah tegak lurus bidang membran dan (b) dilihat dari arah paralel bidang membran. (Figures courtesy of Klaus Schulten).

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 April2013

Antena kompleks LH1 mirip tetapi jelas perbedaannya dengari LH2. LH1

memiliki ukuran cincin yang lebih besar dan mempunyai enambelas unit

polipeptida-a dan -~, masing-masing mengandung sekitar 50 asam

amino. Perbedaan mendasar dengan LH2 terletak pada hilangnya cincin

B800 dan hadirnya pusat reaksi (RC) di tengah-tengah cincin LH1. Akibat

dari hilangnya B800 dan besarnya ukuran cincin menimbulkan interaksi

kuat di antara BChl sehingga puncak serapan bergeser ke 880 nm (pada

LH2 serapan puncak ini adalah 850 nm). Diyakini bahwa LH1 dikelilingi

oleh LH2 tetapi tetapi polanya (keteraturan atau ketidakteraturan) belum

diketahui.

Transfer energi karotenoid ke BChl di dalam antena LH2 telah

teridentifikasi secara seksama dengan spektroskopi ultra cepat dan

didapati terdiri dari 3 kanal [17] yaitu: (1) karotenoid 11Bu+ ~ BChl ~ J

(2) karotenoid 11Bu-~ BChl ~~dan (3) karotenoid 21A8- ~ BChl '\· Secara

skematik kanal-kanal transfer energi tersebut ditunjukkan pada Gam bar

7 untuk LH2 dari Rhodobacter sphaerodes G1C yang mengandung

karotenoid nerosporen (n = 9) Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 yang

mengandung karotenoid speroiden (n = 10) dan Rhodospirillum

molischianum yang mengandung karotenoid likopen (n = 11).

l'Bu·

i ~ I l'B -' ' u ' • ~ l 'B,· 1 ' ' : ' --..: __ Q

118; 1 ___..! Q, ' : ' ' I ' I : : ' I

' 2'A · t I ' I I I I

9 --...._,_Q I

~-'-a I 2'A • : : , • I y I I I I : : I I I : ' : I

I

' I

_j_ l'A · ! _l_ l 'A · ' 9 • Karotenoid Bchl Karotenoid Bchl

(a) (b)

Gambar 7. Skema tingkat tenaga relatif karotenoid dan BChl dalam LH2 dari (a) Rhb. sphaeroides GlC dan 2.4.1 dengan kanal transfer tenaga menurun dan (b) Rps. Molischianum dengan kanal transfertenaga menanjak.


Efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil pada ketiga

macam fotosintetik bakteri tersebut turun dari 92 persen untuk

nerosporen dalam Rhb. sphaerodes G1C ke 89 persen untuk speroiden

dalam Rhb. sphaerodes 2.4.1 sedangkan likopen dalam Rsp.

molischianum turun secara drastis menjadi 53 persen. Jika diamati dari

skema tingkat energi ketiga jenis karotenoid tersebut didapati bahwa

likopen memiliki energi singlet karotenoid 11B -relatif lebih rendah u

daripada energi singlet bakterioklorofil O.· Selanjutnya, energi singlet

karotenoid 21A- lebih rendah daripada energi singlet bakterioklorofil g

~· Kanal-kanal ini mengalami transfer energi mendaki. Transfer energi

mendaki tidak dapat terjadi secara spontan sehingga kanal ini secara

praktis tertutup. Jadi keterlibatan 11B- dalam proses transfer energi u

tergantungjumlah ikatan rangkap rantai kromofor karotenoid (n): Ketika

n =9 dan 10, keadaan energi PB"- berfungsi sebagai donor yang efisien.

Tingkat energi 11B"- pada n = 11 jelas tidak terlibat dalam proses transfer

energi. Untuk meyakinkan bahwa keterlibatan 11B"-tergantung panjang

rantai kromofor karotenoid maka dilakukan rekayasa LH1 dengan cara

rekonstitusi [18]. Dalam proses rekonstitusi ini LH1 tanpa karotenoid

diisolasi terlebih dahulu dari bakteri Rhb. spaheroides R26.1. Selanjutnya,

secara satu persatu karotenoid dengan n yang berbeda diikatkan pada

LHl. Dengan demikian, varia bel karotenoid terhadap antena kompleks

yang identik dapat secara seksama dianalisis. Hasil anal isis menggunakan

spektroskopi ultra cepat mendukung hipotesis bahwa tingkat energi 11B -u

dan 21A- secara meyakinkan bertanggung jawab terhadap kendali g .

efisiensi transfer energi karotenoid ke bakterioklorofil.

Migrasi energi pada unit-unit fotosintesis bakteri ungu terjadi dalam

urutan hirarki, membentuk kaskade, sehingga energi eksitasi karotenoid

terkonsentrasi menuju pusat reaksi melalui cincin LH2 dan LHl. Transfer

energi eksitasi melibatkan proses intrakompleks antara karotenoid dan

BChl dalam LH2 dan antarkompleks LH2 dan LHl. Transfer energi

II


intrakompleks pada LH1 dan LH2 sendiri terjadi pada skala waktu sub

pikodetik sampai beberapa puluh pikodetik sedangkan transfer energi

antarkompleks LH2 ke LH1 terjadi pada skala waktu beberapa ratus

pikodetik. Transfer energi antar LH2 tentu saja terjadi namun sulit

ditentukan karena miripnya spektrum antar LH2.

Sel Surya Bio

Selama milyaran tahun organisme fotosintesis melakukan adaptasi agar

konversi cahaya pad a fotosintesis mencapai sempurna dengan efisiensi

yang spektakuler seperti pad a kasus antena LH 1 dan LH2. Melalui antena

tersebut cahaya diserap menjadi energi eksitasi yang digunakan untuk

menghasilkan elektron bebas pada pusat-pusat reaksi. Elektron bebas

tersebut selanjutnya membangkitkan gradien potensiallintas membran

yang siap mengalirkan arus listrik untuk memutar "rotor" ATP penghasil

glukosa dan karbohidrat. Jadi, pada hakekatnya fotosintesis adalah

"mesin" yang mengubah energi cahaya menjadi listrik.

Bayangkan jika kita mengumpulkan daun yang rontok atau rumput di

halaman rumah, menghubungkannya dengan diva is khusus menggunakan

kabel, membiarkannya terkena sinar matahari dan 'klik' ... menghasilkan

listrik untuk keperluan rumah tangga! Begitulah kira-kira mimpi besar

para ilmuwan di seluruh dunia yang mendedikasikan waktu dan pikirannya

dalam bidang fotosintesis.

Usaha untuk meniru sel surya berbasis komponen fotosintesis sudah

dimulai. Sekelompok peneliti [19] mencoba mengamati bahwa elektron

dari karotenoid dapat diinjeksikan pada partikel nano Ti02 yang sengaja

diletakkan di tengah cincin LH2. Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa

karotenoid dalam bentuk asam dapat menginjeksikan elektron secara

langsung pada partikel nano Ti02

[20,21]. Gratzel sebelumnya telah

mengembangkan sel surya tersintesis pewarna (dye-sensitized solar cell

Ill


- DSSC) yaitu sebuah konsep sel surya yang memanfaatkan pewarna

(dyes) sebagai pemanen cahaya [22]. Diperkirakan bahwa karotenoid

dapat diaplikasikan pada sel surya Gratzel untuk meningkatkan angka

efisiensi konversi cahaya menjadi listrik [23]. Keunggulan dari sel surya

bio yang berbasis karotenoid adalah bahwa rekombinasi muatan yang

menjadi masalah khas sel surya konvensional tidak terjadi pada sel surya

bio ini. Alasan lain adalah bahwa kebanyakan sel surya konvensional

dan kuantum dot sekalipun lambat dalam konversi energi cahaya

menjadi listrik karena tidak dapat memanfaatkan seluruh spektrum sinar

matahari. Sel surya bio lebih 'hijau' dan sederhana dalam fabrikasi

sehingga lebih terjangkau. Yang masih menjadi kendala utama sel surya

bio berbasis karotenoid adalah fotodegradasi.

Masalah Degradasi

Sebagai kromofor, tentu karotenoid harus sensitif terhadap paparan

cahaya. Karotenoid intak pada antena memiliki mekanisme redistribusi

dan transfer energi eksitasi di dalam antena berbentuk cincin (rantai

tak hingga) sehingga waktu rata-rata setiap molekul karotenoid

'menyimpan' energi foton jauh lebih singkat. Jika karotenoid dalam

keadaan 'bebas' maka energi foton harus 'disimpan' lebih lama sehingga

rantai tersebut akan mengalami vibrasi lebih lama pula dan dapat

menyebabkan putusnya rantai tersebut. Fotodegradasi terjadi cukup

cepat jika terus menerus terpapar cahaya dengan panjang gelombang

300- 550 nm (violet sampai hijau) karena persis bersesuaian dengan

resonansi elektroniknya. Jika hal itu terjadi maka karotenoid akan

mengalami perubahan konfigurasi geometri dari trans- (lurus) menjadi

cis-karotenoid (bertekuk) dan dalam keadaan ekstrim akan terpenggal

menjadi rantai-rantai pendek. Akibat langsung degradasi terse but adalah

pudarnya warna serta mengurangi kemampuan karotenoid sebagai

protektor UV pada kosmetik, provitamin A dan antioksidan serta tidak

Ill

Pidato Pengukuhan Guru Besar I Universitas Kristen Satya Wacana I Salatiga, 10 Apri12013

' memungkinkan untuk menyerap cahaya pad a bentangan spektrum sinar

matahari.

Karotenoid sangat sensitif dan labil terhadap temperatur, terutama

ketika tidak terikat pada membran. Temperatur karotenoid perlu dijaga

cukup rendah selama proses ekstraksi dan penyimpanan ataupun

pengolahan makanan. Tingginya temperatur karotenoid, misalnya sa at

proses pemasakan (penggorengan atau perebusan), dapat menyebabkan

kerusakan karotenoid lebih dari SO persen. Pemanasan sampai 200°C

(suhu minyak goreng saat proses penggorengan adalah antara 1S0-

2S00C) selama beberapa menit cukup untuk menghancurkan seluruh

karotenoid yang ada [1].

Peluang dan Tantangan Karotenoid

Karotenoid sa at ini telah banyak digunakan sebagai pewarna a lam pad a

makanan maupun kosmetik. Untuk maksud itu saja, industri karotenoid

telah mencapai nilai jual tahunan melampaui 300 juta dollar AS.

Kapasitas produksi 13-karoten saja mencapai SOO ton per tahun hanya

oleh dua produsen utama Hoffmann-La Roche AG dan BASF f:..G [24].

Seiring dengan gencarnya kampanye produk-produk ramah lingkungan,

termasuk di dalamnya pewarna, yang menghendaki agar suatu produk

dapat mengalami biodegradasi maka pewarna alamiah semakin

mendapat perhatian di berbagai industri percetakan dan tekstil. lndustri

tersebut mulai beralih ke penggunaan pewarna-pewarna alamiah yang

lebih ramah lingkungan [2S]. Dengan demikian permintaan akan

pewarna alamiah di masa datang akan terus meningkat. Jika kita

memperhatikan kandungan 13-karoten yang masih tersisa pada proses

akhir produksi minyak goreng dari kelapa sawit saja maka dipastikan

produksi secara komersial 13-karoten pad a skala industri dari bah an baku

'sampah' kelapa sawit itu pantas untuk dilirik.

?T

QJ O r+ fD 3 0 ol

S

- ,

"

c a.

ÿ

0 0 a.

c 3T

V>

ÿ

t/>

n QJ

t

QJ

cr

3

>

o,

p4 fD

r77

43 O O er a

T 13

<J

V

J

fD 77

QJ

V D3

/>

C

3 fD 3T

<fD

cQ

>*

Dv

>

fD

cr

QJ />

cr

QJ <3

Cl

Qj3 fD

77

&>

Q_

OJ

C_

c

"

D fD

Q_

OJ

3T 3 fD 3 Ty

,S Q

J

O"

"

O fD OJ

3-< O

JO

J

3 r*

f t 3 r*

QJ

3 OQ cr

OJ

OX

J0

> 3,

Q>

3 Q>

a»

a.

o

QJ

3 fD 3 a>

3 er a

-

. o

rt»

3 o 3 rt»

3 3 a»

Q.

QJ

3 O"

o eg.

3 <u 3T

a>

O.

7T 3 Q 3 o

a 3"

a> 3 cr

a>

r* S"

3 QJ

"

c o;

3 cu

3"

D fD A £ C"

D Q_

a>

3T

O 3 a v>

Q.

Q-

3 ÿ

2.

er a

s

=

S

3 fD

{/>

CU

o 77

C V

-

o a>

a.

a>

3T

fD r+ ft rt»

Q.

cv,

3

o f? 3 O £

g"

a.

n>

a.

m

QJ -

t/\

<pa

r*

f t

a*

y

ot/

>QJ

3 </>

_

q>

era B

"

ÿ

D ID 3 Q.

<t>

O fO 3"

16 8"

O"

c a>

ÿ

g, i;

''>

.

Ca

_3

L/k

fDQ

J<

3a

>

3-

0a

.fD

dz Q

J

cy a3

0J

-

0 CDo

>r+

1st

fD0

Jn

cn0

1a

>Q

J

g"

-n 3"

S7

3 5'

a c v ?r

a>

o 5 3 O a a.

Sÿ

o a;

3 00 o

_

m 3"

ÿ

O fD 3 fD

o_

fD 3"

3 c S 0J

3 Q.

O 3 00 a

t3

n>

"

?QJ

C3

&70

3Si

Q-

ÿ

&ÿ

Q>

ÿ

-T

3"

"

S£

<£

03

o

oo 3 CD

fD

O 3 O

=:

O 3 Q>

3 Q.

O CD

CD O 3

<

a-

o ÿ

-

o

Cn

-2.

2

bn

QJ

01

ft 3 fD 3 </>

a«

3

ÿ

9-

5

o3T

5-

*

5?

xC N

JO O iD 0

3Q

J

0)

3 a.

rt»

n a>

03 8 S 3 03

fO 2.

Q-

ID 3 O

NJ

P 03

O 3 m a.

01

3 a.

c o o 3T

NJ

a>

a>

oa

3

I ? ?d

3

3e ra

.--

m

03

&ÿ

o3

" C

-

(U:

"C

XV fD

-q-

.

J qT

NJ

38

m

03

QJ

£ 9

s

a3

y 3>

5P

otT

3 fD 3

fD 3 3"

O Q.

H*

<iD

fD< «o

e ra fD-

r*

Q>

rt»

s

o"

D

00

Q>

3 Q.

O 0>

fD 3 O ol

s 3

§ ff ÿo c S"

O c 2Karctencid. Dari Pikmen Sampai Sel Surya Bio

Keberhasilan industri karotenoid ditopangoleh pengetahuan dasaryarig

dibangun generasi demi generasi oleh ilmuwan dertgan sangat hati-hati

dan teliti serta berdedikasi. Oleh sebab itu aplikasinya tidak dapat secara

sempittertuju pada komersialisasi jangka pendekdanpewarna saja agar

tidak menghambat kemajuan sains karotenoid itu sendiri.

Jika dahulu perielitian tentang karotenoid fokus pada ketersediaan,

sintesis dan elusidasi, serta deskripsifenomena kimia dari biologi maka

saat ini kita ditantang untuk menjawab pertanyaan tentang bagairnana

karotenoid itu diproduksisecara bioteknologi, mekanisme kerja sebagai

obat dan substarisi preventif penyakit, rekayasa sel surya berbasis

fotosintesis ramah lingkunganyang efisien dan stabil dan lain sebagainya.

Jika potensi karotenoid ini disadari sepenuhnya dengan pola pikiryang

rasional maka studi-studi fundamental menyangkut biosintesis,

modifikasi genetik, interaksi karotenoid dengan protein in vivo serta,

biofisika molekuler, bioelektrik, kimia antioksidanadalahsangat esensial.

Studi-studi tentang karotenoid memerlukan pendekatan interdisipliner

dari ilmuwan-ilmuwan dari berbagai cabang ilmu.

"Scientific principles and laws do not lie on the surface of nature. They

are hidden, and must be wrested from nature by an active and

elaborate technique of inquiry. " ~

John Dewey.

sebab...

"The earth has music for those who listen."' George Santayana

Terima kasih

I

20

Documents

Karotenoid dari pikmen sampai sel surya · dipandang sangat esensial untuk memahami kelakuan dan fungsi fisiologi pikmen tesebut. Apa itu karotenoid? Pemahaman yang mendalam tentang