Fotosintesis adalah suatu proses
biokimia pembentukan zat makanan atau energi yaitu glukosa yang dilakukan
tumbuhan,
alga, dan beberapa jenis
bakteri dengan menggunakan zat hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan energi cahaya matahari.
[1] Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di
bumi.
[1] Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di
atmosfer bumi.
[1] Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis (
photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof.
[1] Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi
karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari
CO2 diikat (difiksasi) menjadi
gula sebagai molekul penyimpan energi.
[1] Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui
kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri
belerang.
[1]
Fotosintesis pada tumbuhan
Tumbuhan bersifat
autotrof.
[4] Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik.
[4] Tumbuhan menggunakan
karbon dioksida dan
air untuk menghasilkan
gula dan
oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini:
6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2
Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar.
[4] Proses ini berlangsung melalui
respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan.
[4] Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas.
[4] Pada
respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.
[4]
Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut
klorofil.
[4] Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas.
[4] klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis.
[4] Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun.
[4] Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya.
[4] Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis.
[4] Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan.
[4]
Proses
Hingga sekarang fotosintesis masih terus dipelajari karena masih ada sejumlah tahap yang belum bisa dijelaskan, meskipun sudah sangat banyak yang diketahui tentang proses vital ini.
[16] Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang
ilmu pengetahuan alam utama, seperti
fisika,
kimia, maupun
biologi sendiri.
[16]
Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun.
[16] Namun secara umum, semua sel yang memiliki
kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini.
[17] Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian
stroma.
[16] Hasil fotosintesis (disebut
fotosintat) biasanya dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.
[16]
Pada dasarnya, rangkaian reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian utama:
reaksi terang (karena memerlukan cahaya) dan
reaksi gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida).
[18]
Reaksi terang terjadi pada
grana (tunggal: granum), sedangkan reaksi gelap terjadi di dalam
stroma.
[18] Dalam reaksi terang, terjadi konversi
energi cahaya menjadi energi kimia dan menghasilkan
oksigen (O
2).
[18] Sedangkan dalam reaksi gelap terjadi seri reaksi
siklik yang membentuk gula dari bahan dasar CO
2 dan energi (
ATP dan
NADPH).
[18] Energi yang digunakan dalam reaksi gelap ini diperoleh dari reaksi terang.
[18] Pada proses reaksi gelap tidak dibutuhkan cahaya matahari. Reaksi gelap bertujuan untuk mengubah senyawa yang mengandung atom karbon menjadi molekul gula.
[18] Dari semua
radiasi matahari yang dipancarkan, hanya panjang gelombang tertentu yang dimanfaatkan tumbuhan untuk proses fotosintesis, yaitu
panjang gelombang yang berada pada kisaran cahaya tampak (380-700 nm).
[18] Cahaya tampak terbagi atas cahaya merah (610 - 700 nm), hijau kuning (510 - 600 nm), biru (410 - 500 nm) dan violet (< 400 nm).
[19] Masing-masing jenis cahaya berbeda pengaruhnya terhadap fotosintesis.
[19] Hal ini terkait pada sifat
pigmen penangkap cahaya yang bekerja dalam fotosintesis.
[19] Pigmen yang terdapat pada membran grana menyerap cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu.
[19] Pigmen yang berbeda menyerap cahaya pada panjang gelombang yang berbeda.
[19] Kloroplas mengandung beberapa pigmen. Sebagai contoh,
klorofil a terutama menyerap cahaya biru-violet dan merah.
[19] Klorofil b menyerap cahaya biru dan oranye dan memantulkan cahaya kuning-hijau. Klorofil a berperan langsung dalam reaksi terang, sedangkan klorofil b tidak secara langsung berperan dalam reaksi terang.
[19] Proses absorpsi energi cahaya menyebabkan lepasnya elektron berenergi tinggi dari klorofil a yang selanjutnya akan disalurkan dan ditangkap oleh akseptor elektron.
[12] Proses ini merupakan awal dari rangkaian panjang reaksi fotosintesis.
reaksi terang
Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan
ATP dan
reduksi NADPH
2.
[20] Reaksi ini memerlukan molekul
air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan penangkapan
foton oleh
pigmen sebagai
antena.
[20]
Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II.
[21] Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm.
[21]
Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap dimana fotosistem II menyerap cahaya matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan muatan menjadi tidak stabil.
[21] Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul H
2O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim.
[21] Hal ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH
2.
[21] Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H
+ yang disebut sitokrom b
6-f kompleks.
[20] Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah
[21]:
2H2O + 4 foton + 2PQ + 4H- → 4H+ + O2 + 2PQH2
Sitokrom b
6-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH
2 dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC).
[21] Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H
+ dari stroma ke membran tilakoid.
[21] Reaksi yang terjadi pada sitokrom b
6-f kompleks adalah
[21]:
2PQH2 + 4PC(Cu2+) → 2PQ + 4PC(Cu+) + 4 H+ (lumen)
Elektron dari sitokrom b
6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I.
[21] Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H
2O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu.
[21] Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin.
[21] Reaksi keseluruhan pada PS I adalah
[21]:
Cahaya + 4PC(Cu+) + 4Fd(Fe3+) → 4PC(Cu2+) + 4Fd(Fe2+)
Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP
+ dan membentuk NADPH.
[21] Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP
+ reduktase.
[21] Reaksinya adalah
[21]:
4Fd (Fe2+) + 2NADP+ + 2H+ → 4Fd (Fe3+) + 2NADPH
Ion H
+ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase.
[1] ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H
+ melintasi membran tilakoid.
[1] Masuknya H
+ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP.
[1] Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut
[1]:
Sinar + ADP + Pi + NADP+ + 2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2
REAKSI GELAP
Reaksi gelap pada
tumbuhan dapat terjadi melalui dua
jalur, yaitu
siklus Calvin-Benson dan
siklus Hatch-Slack.
[22] Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah
senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi senyawa dengan jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa 3-phosphogliserat.
[22] Oleh karena itulah tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3.
[22] Penambatan CO
2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim
rubisco.
[22] Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack disebut tumbuhan C-4 karena senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO
2 adalah
oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon.
Enzim yang berperan adalah phosphoenolpyruvate carboxilase.
[22]