Pembelajaran tentang Jalur Metabolisme (Metabolic Pathway) Secara Terintegrasi
I. Pendahuluan
Metabolisme merupakan salah satu topik dari Biologi yang dirasa cukup sulit untuk
dipahami oleh siswa maupun mahasiswa. Penyebabnya antara lain adalah karena
konsep metabolisme bersifat abstrak, mengandung banyak sekali konsep yang saling
terkait (kompleks), cenderung disajikan dalam bentuk pembelajaran yang
mengesankan bahwa konsepnya bersifat hafalan, membutuhkan kemampuan analisis
dan kesabaran untuk memahami setiap fase dalam metabolisme. Padahal topik ini
merupakan topik yang cukup penting dalam pembahasan tentang bagaimana sel
mendapatkan energi.
Pembelajaran tentang metabolisme biasanya disajikan dengan cara memberikan
definisi tentang metabolisme diikuti dengan fungsi /peran metabolisme bagi makhluk
hidup, selanjutnya disajikan jenis-jenis metabolisme serta fase-fase reaksi kimia dari
metabolisme yang pada umumnya dalam bentuk diagram alur. Cara penyajian ini
diterapkan bukan hanya pada siswa sekolah menengah tetapi juga pada level
perguruan tinggi, baik untuk program pendidikan maupun non pendidikan. Pada
kenyataannya, cara penyajian tersebut kurang membantu siswa maupun mahasiswa
memahami esensi dari metabolisme.
Telah banyak peneliti yang mencoba untuk mempermudah siswa maupun mahasiswa
memahami konsep metabolisme. Ada yang menyarankan sebaiknya menggunakan
analogi-analogi untuk menjelaskan perubahan-perubahan molekul pada setiap fase
reaksi kimia pada metabolisme, ada pula yang mengusulkan menggunakan visualisasi
atau animasi reaksi, yang lain mengusulkan penggunaan program komputer interaktif
yang berisi gabungan antara animasi reaksi kimia dan analisis konsep. Semua
menunjukkan usaha agar siswa/ mahasiswa lebih mudah memahami konsep
metabolisme. Hasil penelitian menunjukkan ada kemajuan yang cukup berarti,
walaupun demikian untuk menyajikan konsep metabolisme dengan cara-cara tersebut
mengandung kendala utama berupa penggunaan media yang tidak semua sekolah
dapat memiliki. Di sekolah, banyak guru yang masih merasa nyaman menggunakan metode penyajian
konsep secara konvensional (ceramah) yang dianggap lebih cepat dan murah. Strategi
peyajian informasi yang digunakan umumnya memanfaatkan teks dalam buku
pegangan siswa atau mahasiswa, atau menggunakan media lain untuk menyajikan
jalur metabolisme. Cara ini sebenarnya cukup efektif, hanya memerlukan strategi
penyajian yang terorganisir, da memerlukan kesabaran dalam membuat
siswa/mahasiswa dapat mengikuti setiap fase dari jalur metabolisme. Selain itu, pada
umumnya guru menyajikan konsep metabolisme dalam bentuk yang tersendiri,
kurang dihubungkan dengan konsep-konsep lain yang berhubungan erat seperti
konsep tentang pengelompokan bakteri, pencernaan makanan pada manusia, dan
konsep lainnya. Padahal menurut prinsip konstruktivisme, tautan antara konsep yang
sudah dimiliki siswa/mahasiswa dengan konsep baru akan membantu
siswa/mahasiswa memaknai konsep tersebut. Hal inilah yang mendasari mangapa
penyajian konsep jalur metabolisme secara terintegrasi menjadi pilihan.
II. Jalur Metabolisme Pada Sel
Metabolisme yang terjadi dalam sel dapat dianalogikan seperti peta jalan yang rumit
yang terdiri dari ribuan reaksi kimia. Reaksi kimia ini tersusun dalam jalur-jalur
metabolisme bercabang dengan tujuan mengubah satu bentuk molekul ke bentuk
lainnya melalui rangkaian tahapan reaksi. Enzim mengarahkan aliran materi melalui
jalur-jalur metabolisme dengan cara mempercepat setiap tahapan reaksi secara
selektif. Analogi yang dekat dengan keadaan tersebut adalah lampu lalu lintas yang
mengatur arah aliran, mencegah kemacetan, dan menyeimbangkan antara permintaan
dan penawaran, serta mengalihkan kekurangan dan kelebihan bhan kimiawi.
Secara keseluruhan, metabolisme dikaitkan dengan pengaturan sumberdaya materi
dan energi sel. Beberapa jalur metabolisme membebaskan energi dengan cara
merombak molekul yang kompleks menjadi sederhana (katabolik). Sebaliknya jalur
anabolik menggunakan energi untuk membangun molekul yang kompleks dari
molekul yang lebih sederhana.Jalur-jalur metabolisme masing-masing merupakan
jalan turun dan naik bukit pada peta metabolisme.
Walaupun pada semua makhluk hidup menggunakan prinsip metabolisme yang sama,
tetapi pada kenyataannya makhluk hidup mempunyai strategi masing-masing untuk mengatasi kelimpahan atau keterbatasan bahan baku atau molekul yang dibutuhkan
dalam metabolisme. Bahan yang sering dibicarakan dalm metabolisme adalah sumber
karbon, dan substrat yang bisa digunakan enzim sebagai penyedia elektron untuk
melaksanakan proses reduksi biosintesis.
Jalur respirasi seluler dan jalur fermentsi merupakan jalur katabolik (penghasil
energi). Prosesnya menggunakan glukosa atau bahan organik lainnya menjadi produk
yang lebih sederhana, sehingga menghasilkan energi untuk sintesis ATP. Selanjutnya
ATP akan mentransfer gugus fosfat ke berbagai substrat dan memancingnya untuk
bekerja. Agar pekerjaan tetap berlanjut, maka sel harus meregenerasi ATP. Berawal
dari glukosa atau bahan organik lain, mengguakan oksigen, respirasi seluler akan
menghasilkan ir, karbondioksida dan energi dalam bentuk ATP dan panas. Sel
mengambil energi yang tersimpan dalam molekul senyawa organik melalui reaksi
redoks, dimana suatu bahan, sebagian atau seluruhnya memindahkan elektron ke
tempat lain. Elektron yang berasal dari molekul senyawa organik biasanya dilewatkan
ke NAD
+
yang akan mereduksinya menjadi NADH. Selanjutnya NADH
melwatkannya ke rantai transpor elektron, yang menghantarkannya ke O2 dalam
tahap pelepasan energi. Energi yang dilepas ini akan digunakan untuk membuat ATP.
Sebagian besar ATP yang dibuat pada jalur respirasi seluler dihasilkan oleh proses
fosforilasi oksidatif ketika NADH dan FADH2 menyumbangkan elektron ke
sederetan pembawa elektron dalam rantai transpor elektron. Pada ujung rantai ini,
elektron dilewatkan ke O2 , mereduksinya menjadi H2O. Transpor elektron dikopel ke
sintesis ATP oleh kemiosmosis. Pada langkah-langkah tertentu dim sepanjang rantai
ini transfer elektron menyebabkan kompleks protein pembawa elektron memindahkan
H
+
dari matriks ke dalam ruang antarmembran pada mitokondria, yang menyimpan
energi sebagai gaya gerak proton. Begitu H
+
berdifusi kembali ke dalam matriks
melalui ATP sintase, jalur eksergonik akan kembali menggerakkan jalur endergonik
ADP. Oksidasi glukosa menjadi CO2 menghasilkan maksimum 38 ATP.
Selain metabolisme glukosa menggunakan O2, ada jalur lain yang bisa ditempuh oleh
sel untuk melakukan katabolisme, yaitu melalui jalur fermentasi. Fermentasi bersifat
anerobik terhadap nutrien organik. Fermentasi ini menghasilkan ATP dari glikolisis.
Elektron dari NADH yang dibuat dalam glikolisis dilewatkan ke piruvat, menyimpan ulang NAD
+
yang dibutuhkan untuk bisa mempertahankan glokolisis. Ragi dan
bakteri tertentu menggunakan jalur metabolisme ini. Dari kedua jalur ini respirasi
lebih efisien dalam menghasilkan ATP per glukosa. Glikolisis terjadi dalam hampir
semua organisme.
III. Pembelajaran tentang Jalur Metabolisme
Ada beberapa ide yang dikemukakan untuk memudahkan siswa/mahasiswa
memahami jalur matebolisme. Dua ide dasar yang dikemukakan adalah diberikan
secara tersendiri, terpisah dari konsep lainnya, dan ada yang mengusulkan penyajian
secara terintegrasi dengan konsep lainnya.
Penyajian konsep metabolisme secara tersendiri dilakukan dengan alasan bahwa
konsep yang tercakup dalam metabolisme cukup banyak, melibatkan konsep reaksi
kimia yang beragam, mencakup prinsip-prinsip tertentu yang harus dipahami dulu
dengan baik , dan dianggap sebagai pengetahuan dasar yang harus dipahami sebelum
melangkah ke konsep yang lebih lanjut. Sebab jalur metabolisme ini berlaku pada
semua sel yang terdapat pada makhluk hidup sehingga jalur ini harus dipahami dulu.
Penyajian konsep jalur metabolisme secara tersendiri biasanya diberikan setelah
siswa/mahasiswa memahami karakteristik senyawa organik dan organik yang terlibat
dalam proses metabolisme, serta hukum serta prinsip yang terjadi pada reaksi-reaksi
kimia di setiap fase metabolisme (seperti reaksi redoks, hukum termodinamika).Jika
tahap itu dilalui, barulah kepada siswa/mahasiswa diperlihatkan diagram dari proses
metabolisme. Biasanya yang harus dilakukan oleh siswa/mahasiswa adalah melihat
reaksi untuk mengidentifikasi apa bahan bakunya dan apa produknya. Setelah itu,
dilanjutkan dengan penghitungan jumlah ATP yang dihasilkan dan berapa energi
yang digunakan dan dikeluarkan selama proses. Seringkali siswa/mahasiswa lupa
untuk diberitahukan tempat terjadinya metabolisme, sebab metabolisme tidak hanya
terjadi di satu lokasi dalam sel tetapi bergerak sesuai dengan bagian mana yang
menangkap bahan baku dan mengeluarkan produk.
Sedangkan penyajian secara terintegrasi melibatkan hubungan metabolisme dengan
konsep lain seperti keragaman makhluk hidup (bakteri, jamur, ganggang) dan konsep
sistem pengolahan makanan dalam tubuh makhluk hidup, serta proses kimiawi gerakan otot. Pembelajaran seperti ini menuntut penguasaan konsep prasyarat
berupa karakteristik senyawa organik dan organik yang terlibat dalam proses
metabolisme, serta hukum serta prinsip yang terjadi pada reaksi-reaksi kimia di setiap
fase metabolisme (seperti reaksi redoks, hukum termodinamika).
Pembelajaran jalur metabolisme secara terintegrasi bisa menggunakan beberapa
strategi. Ada yang mengandalkan media berupa program komputer interaktif, ada
yang menggunakan cara menelaah kasus, dan ada pula yang menggunakan diagram
untuk diinterpretasikan dan dianalisis.
Penyajian dengan menggunakan software komputer (teacher assisted computer
practical) diajukan oleh Verhoeven et al. (2005). Di Belanda sejak tahun 2001
penyajian konsep metabolisme secara terpisah telah ditinggalkan. Alasan yang
diajukan adalah karena penyajian secara terpisah menyebabkan siswa/mahasiswa sulit
memahami konsep metabolisme karena sangat abstrak. Untuk bisa mengurangi sifat
abstrak dari konsep tersebut dilakukan cara mencari contoh fenomena yang konkrit
dalam kehidupan sebenarnya (kontekstual). Ternyata cara ini oleh siswa/mahasiswa
dirasakan sebagai cara yang lebih memudahkan untuk memahami konsep
metabolisme. Penyajian konsep dimulai dengan memperlihatkan sejumlah organ
tubuh manusia tempat dimana terjadi metabolisme. Dari gambar organ tubuh tertentu
orientasinya, dengan cara zoom, diubah dari tingkat organ menjadi jaringan, jaringan
ke tingkat sel, kemudian organel sel dimana terjadi metabolisme seluler. Mahasiswa
diberi waktu selama 3 minggu untuk mengeksplorasi konsep metabolisme
menggunakan software tersebut. Pada saat melakukan eksplorasi konsep,
siswa/mahasiswa akan berinteraksi dengan gambar, grafik, bagan dan tabel untuk
dianalisis. Hal ini diperlukan untuk melatih kemampuan siswa dalam menganalisis
dan memaknai konsep. Selama 3 minggu tersebut, siswa/mahasiswa dapat
berkonsultasi, berdiskusi, serta mengerjakan soal yang diberikan baik melalui
software maupun secara langsung dari guru. Setelah 3 minggu diberikan tes yang
mencakup 56 pertanyaan baik yang berkaitan dengan konsep metabolisme maupun
konsep yang relevan. Kelebihan penyajian dengan menggunakan software komputer
interaktif adalah visualisasinya memudahkan siswa/mahasiswa membuat tautan
konsep dalam pikirannya sehingga siswa merasa lebih mudah memahami konsep matebolisme. Kekurangannya terletak pada terlalu banyak gambar pada satu screen
menyebabkan penggunanya bingung (lihat gambar berikut)
Cara lain yang lebih low-tech adalah menggunakan advance organizer. Alat
pengajaran (teaching tool) ini dikemukakan pertama kali oleh David Ausubel (1960).
Advance organizer bisa diartikan sebagai suatu alur instruksional yang disajikan
kepada siswa/mahasiswa dengan tujuan agar siswa dapat mempelajari materi
pelajaran dengan baik. Advance organizer merupakan strategi kognitif yang
menyediakan jembatan antara konsep yang telah diketahui dengan konsep yang
sedang dipelajari. Harapannya konsep yang dipelajari menjadi lebih bermakna karena
diberikan secara sistematis. Beberapa cara penyajian seperti grafik, diagram, peta
konsep, dan presentasi oral bisa digunakan dalam advance organizer secara simultan.
Yang paling penting adalah konsep yang lebih umum akan disajikan lebih dulu dan
konsep yang bersifat detil dan spesifik disajikan kemudian (Barbosa et al.,2005)
Pengembangan advance organizer dimulai dari penentuan konsep yang akan
disajikan. Selanjutnya perlu dilakukan identifikasi konsep relevan yang bersifat lebih
umum dan sudah dikenal, dari konsep yang akan disajikan. Kemudian dirancang cara
penyajiannya. Kombinasi cara penyajian menjadi salah satu penentu keberhasilan
advance organizer. Advance organizer yang dikembangkan oleh Barbarosa, Marques
& Torres (2005) meliputi penyajian 6 diagram metabolisme, table karakteristik
lingkungan tempat hidup bakteri dan uji kecocokan antara tempat hidup dengan salah
satu dari 6 jalur metabolisme. Dapat dilihat berikut ini :
Environment Characteristics
I Human intestine Absence of light, anaerobic, high concentration
of organic matter
II Human skin Aerobic, high concentration of organic matter
III Sulfur mine Absence of light, aerobic, high concentration of
sulfur (S0 and H2S), low concentration of
organic matter
IV Shallow lake water presence of light,aerobic, high concentration of
inorganic matter, low concentration of organic
matter
V Deep lake water Presence of light, anaerobic, high concentration
of inorganic matter, low concentration of
organic matter
VI Deep soil Absence of light, anaerobic, organic and
inorganic matter available
Problem—Because of their great versatility, bacteria
may obtain compounds essential to their survival and reproduction
(ATP, NADPH, and a carbon source) in many
different ways. Thus, they are able to live in a variety of
different environments. Indicate what types of metabolism
(A, B, C, D, E, and/or F) may be presented by bacteria
living in environments I, II, III, IV, V, and VI as described in
Table I by writing the corresponding letter(s) in the last
column of the table.
For that purpose, analyze metabolic patterns found in
bacteria (A–F) and answer questions 1–4 for each of those
patterns.
1. For synthesizing ATP from ADP _ Pi,
a. Which of the compounds present in the environment
are utilized?
b. What end products are released into the environment?
c. Is there use of an electron transport chain?
d. In instances where an electron transport chain is
used, which compounds may be electron donors
and which are final acceptors of electrons?
2. For obtaining NADPH,
a. What is the source of electrons?
b. Is there use of a proton gradient?
3. What is the primary carbon source for the biosynthesis
of proteins, lipids, polysaccharides, and nucleic
acids?
4. For which processes are ATP and NADPH used?
Kelebihan cara ini adalah walaupun tidak memerlukan media pembelajaran yang high
tech, tetapi bias membantu memudahkan memahami konsep karena siswa/mahasiswa
dipandu untuk menemukan sendiri konsepnya melalui sejumlah instruksi. Selain itu,
kemampuan interpretasi gambar, table serta kemampuan menganalisis dilatihkan
melalui cara ini. Kelebihan lain adalah media ini tidak memakan biaya besar.
Sedangkan kekurangannya adalah untuk mengembangkan advance organizer
diperlukan wawasan dan keilmuan yang tinggi agar advance organizer yang dihasilkan benar-benar memandu siswa/mahasiswa memahami suatu konsep dengan
benar, serta kreativitas dalam mengombinasikan cara penyajian.
IV. Pembelajaran tentang Jalur Metabolisme Menggunakan Advance Organizer
Di Indonesia,sebagian besar guru sangat menyukai metode ceramah karena metode
ini dianggap paling murah, tidak membutuhkan media yang rumit, persiapannya
mudah, bisa digunakan pada kelas dengan siswa dalam jumlah banyak. Tetapi disisi
lain, metode ini sering dihujat sebagai metode yang kurang cocok untuk pembelajaran
biologi karena mengesankan bahwa biologi adalah verbalisme dan hanya berorientasi
konten. Selain itu, metode ini lebih bersifat teacher centered karena gurulah yang
dominan dan cenderung kurang memperhatikan apakah siswa telah sampai pada
pemahaman yang benar tentang suatu konsep atau belum.
Sebenarnya metode ini masih dapat digunakan untuk menyajikan konsep-konsep
yang bersifat abstrak. Untuk meningkatkan kebermaknaan informasi yang
diceramahkan, biasanya digunakan media pembelajaran yang bisa membantu
memberikan gambaran tentang bagaimana kejadiannya, di mana terjadinya, dan lain
sebagainya. Media pembelajaran bisa digunakan juga untuk mengurangi pecahnya
konsentrasi siswa/mahasiswa, sebab kemampuan maksimal menjaga konsentrasi
mendengarkan ceramah hanya 20-30 saja. Variasi media pembelajaran dapat
membantu mengurangi rasa jenuh dalam mendengarkan ceramah.
Di banyak negara, metode ceramah masih cukup populer untuk dipilih oleh sejumlah
pengajar. Akan tetapi mereka memikirkan dan mengimplementasikan banyak ide
yang bertujuan untuk mengurangi dampak negatif dari metode ini. Antara lain dengan
mengawinkan ceramah dengan advance organizer untuk meningkatkan kebermaknaan
konsep yang disajikan. Selain itu juga bisa juga dikombinasikan dengan penggunaan
media pembelajaran yang berisi film strip atau foto-foto. Kombinasi metode ceramah
berbasis advance organizer juga dapat digunakan bersama-sama dengan metode
diskusi kelompok (Barbarosa et al.2005).
Konsep metabolisme merupakan salah satu konsep yang kurang disukai oleh
siswa/mahasiswa karena karakter konsepnya yang kompleks, abstrak tetapi penting
karena menjadi dasar dari pembahasan tentang makhluk hidup. Jalur metabolisme
dapat disajikan secara terintegrasi dengan konsep lain seperti gerak otot, kerja otak dan lain-lain. Semuanya dapat digabungkan menjadi satu paket pembelajaran yang
mengandung advance organizer, metode ceramah dan diskusi, serta penggunaan
media gambar dan tabel. Berikut contoh implementasinya :
Fase Kegiatan Pembelajaran Rincian kegiatan
1. Awal Guru memperlihatkan foto mikrograf sejumlah bakteri,
kemudian memberitahukan bahwa bakteri merupakan
makhluk hidup yang memerlukan energi .
- Siswa diberi pertanyaan tentang bagaimana cara makhluk hidup mendapatkan energi.
serta peranannya dalam mendapatkan energi.
Siswa diminta berkelompok (sekelompok 4 orang), kemudian
diberikan gambar diagram 6 jenis jalur metabolisme dan satu
tabel tentang karakteristik lingkungan tempat tinggal bakteri.
- Siswa diminta menjawab sejumlah pertanyaan yang berkisar tentang bahan baku, proses dan produk dari setiap jalur metabolisme. Selanjutnya siswa diminta mencocokkan antara jalur metabolisme pada diagram dengan lingkungan tempat hidup dari tabel.
dan persamaan antara semua jalur metabolisme yang ada
pada diagram.
- Siswa diminta mengidentifikasi pola dasar jalur metabolisme yang dipastikan terjadi di semua jalur metabolisme. Kemudian siswa diberi tugas untuk mengidentifikasi jalur metabolisme mana yang terjadi di otak, jantung, dan usus besar.
V. Kesimpulan
Jalur metabolisme merupakan konsep yang kompleks, abstrak tetapi penting karena
menjadi dasar dari pembahasan tentang makhluk hidup. Karena konsep ini sulit untuk
dilihat fenomenanya secara nyata, maka konsep ini dapat disajikan dengan cara
menunjukkan gambar, bagan, grafik. Penyajian konsepnya bisa dengan advance
organizer yang dioperasionalisasikan dengan metode ceramah dan diskusi.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar