FotosintesisFotosintesis dapat diartikan sebagai proses yang
dilakukan oleh organisme autotrof, dengan menggunakan energi dari
cahaya matahari yang diserap oleh klorofil untuk membuat bahan
makanan dari molekul sederhana menjadi molkul yang lebih kompleks.
Juga sebagai proses untuk memproduksi gula (karbohidrat) pada
tumbuhan, beberapa bakteri dan organisme non-seluler (seperti
jamur, protozoa) dengan meggunakan energi matahari, yang melalui
sel-sel yang berespirasi dengan energi tersebut yang selanjutnya
akan dikonversi ke dalam bentuk ATP sehingga dapat digunakan
seluruhnya oleh organisme tersebut.Reaksi umum proses Fotosintesis
: 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Dari reaksi tersebut, maka bahan yang digunakan untuk melakukan
fotosintesis yaitu karbondioksida dan air yang kemudian diubah
menjadi karbohidrat dan oksigen dengan bantuan foton yang diserap
oleh klorofil. Jadi fotosintesis merupakan suatu proses pembentukan
atau penyusunan senyawa kompleks dari senyawa
sederhana(Anabolisme).
Perangkat-perangkat yang berperan dalam proses Fotosintesis
:
Gambar : Kloroplas
Kloroplas
Kloroplas terdapat pada semua bagian tumbuhan yang berwarna
hijau, termasuk batang dan buah yang belum matang. Di dalam
kloroplas terdapat pigmen klorofil yang berperan dalam proses
fotosintesis. Kloroplas mempunyai bentuk seperti cakram dengan
ruang yang disebut stroma. Stroma ini dibungkus oleh dua lapisan
membran. Membran stroma ini disebut tilakoid, yang di dalamnya
terdapat ruang-ruang antar membran yang disebut lokuli. Di dalam
stroma juga terdapat lamela-lamela yang bertumpuk-tumpuk membentuk
grana (kumpulan granum). Granum sendiri terdiri atas membran
tilakoid yang merupakan tempat terjadinya reaksi terang dan ruang
tilakoid yang merupakan ruang di antara membran tilakoid. Pigmen
fotosintetik terdapat pada membran tilakoid. Sedangkan, pengubahan
energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid
dengan produk akhir berupa glukosa yang dibentuk di dalam
stroma.[17] Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian
dari perangkat dalam fotosintesis yang dikenal sebagai
fotosistem.Kloroplas merupakan alat atau organela sel yang khas
pada sel-sel daging daun. Bentuknya bermacam-macam, tergantuing
jenis tumbuhannya. Selain bulat atau lonjong, ada juga yang
berbentuk pita. Pada daun Hydrila, kloroplasnya bulat atau lonjong,
berukuran cukup besar dan mudah diamati dibawah mikroskop. Organela
ini mudah dikenali dengan warnanya yang hijau karena banyak
mengandung zat warna atau pigmen hijau daun yang disebut klorofil.
Ada dua macam klorofil pada tumbuhan darat yaitu klorofil a dan
klorofil b.Kloroplas tersusun dari tiga bagian, meliputi : a.
Bangunan seperti tumpukan piring, disebut grana b. Bahan yang
mengisi di luar grana, disebut matrik c. Stroma
Pada bagian grana, terdapat seluruh perangkat alat penangkap
energi matahari. Perangkat alat itu adalah ibarat antena penerima.
Alat penerima tersebut berupa kumpulan bermacam-macam zat pigmen.
Pigmen adalah suatu zat yang berfungsi menangkap atau memantulkan
jenis sinar atau warna cahaya tertentu. Pigmen daun paling banyak
adalah klorofil. Sekelompok pigmen yang merupakan satu kesatuan
alat penerima energi cahaya ini disebut fotosistem. Ada dua
fotosistem yang dibutuhkan untuk mendukung satu proses
fotosintesis,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). Cahaya tampak terbagi atas cahaya merah
(610 - 700 nm), hijau kuning (510 - 600 nm), biru (410 - 500 nm),
dan violet (< 400 nm).
Gambar : Sinar Tampak
Masing-masing jenis cahaya berbeda pengaruhnya terhadap
fotosintesis.Hal ini terkait pada sifat pigmen penangkap cahaya
yang bekerja dalam fotosintesis. Pigmen yang terdapat pada membran
grana menyerap cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu.
Pigmen yang berbeda menyerap cahaya pada panjang gelombang yang
berbeda. Kloroplas mengandung beberapa pigmen. Sebagai contoh,
klorofil a terutama menyerap cahaya biru-violet dan merah,
sementara 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. Proses absorpsi energi cahaya menyebabkan
lepasnya elektron berenergi tinggi dari klorofil a yang selanjutnya
akan disalurkan dan ditangkap oleh akseptor elektron.Proses ini
merupakan awal dari rangkaian panjang reaksi fotosintesis.
Reaksi Terang dan fotosistem
Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi
NADPH2.[37] Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya Matahari.
Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai
antena.[37]
Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja
sama, yaitu fotosistem I dan II.[38] 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.
Fotosistem adalah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya
Matahari yang terdiri dari klorofil a, kompleks antena, dan
akseptor elektron.[17] Di dalam kloroplas terdapat beberapa macam
klorofil dan pigmen lain, seperti klorofil a yang berwarna hijau
muda, klorofil b berwarna hijau tua, dan karoten yang berwarna
kuning sampai jingga.[17] Pigmen-pigmen tersebut mengelompok dalam
membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang berperan
penting dalam fotosintesis.[24]
Klorofil a berada dalam bagian pusat reaksi.[20] Klorofil ini
berperan dalam menyalurkan elektron yang berenergi tinggi ke
akseptor utama elektron.[20] Elektron ini selanjutnya masuk ke
sistem siklus elektron.[20] Elektron yang dilepaskan klorofil a
mempunyai energi tinggi sebab memperoleh energi dari cahaya yang
berasal dari molekul perangkat pigmen yang dikenal dengan kompleks
antena.[24]
Fotosistem sendiri dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem
I dan fotosistem II.[24] Pada fotosistem I ini penyerapan energi
cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap cahaya
dengan panjang gelombang 700 nm sehingga klorofil a disebut juga
P700.[25] Energi yang diperoleh P700 ditransfer dari kompleks
antena.[25] Pada fotosistem II penyerapan energi cahaya dilakukan
oleh klorofil a yang sensitif terhadap panjang gelombang 680 nm
sehingga disebut P680.[26] P680 yang teroksidasi merupakan agen
pengoksidasi yang lebih kuat daripada P700.[26] Dengan potensial
redoks yang lebih besar, akan cukup elektron negatif untuk
memperoleh elektron dari molekul-molekul air.
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.[38] Untuk
menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul
H2O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion
mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim.[38] Hal ini akan
mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid.
Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan
mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH2.[38] 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 b6-f kompleks.[37] Reaksi
keseluruhan yang terjadi di PS II adalah.
1. Sitokrom b6-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari
PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH2 dan mereduksi protein kecil
yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan
plastosianin (PC).[38] Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya
pompa H+ dari stroma ke membran tilakoid.2. Elektron dari sitokrom
b6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I.[38] Fotosistem ini
menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi mengandung
kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari
H2O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu.[38] Sebagai sistem
yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi
plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S
larut yang disebut feredoksin.3. Selanjutnya elektron dari
feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk
mereduksi NADP+ dan membentuk NADPH.[38] Reaksi ini dikatalisis
dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase.4. 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.
Gambar : Siklus fotofosporilasi
Gambar : Hubungan reaksi gelap dan reaksi terang.Reaksi
Gelap.
Reaksi Gelap adalah proses-proses yang tidak bergantung langsung
pada keberadaan cahaya. Proses-proses atau reaksi-reaksi pada tahap
ini disebut reaksi gelap. Reaksi-reaksi gelap terjadi pada bagian
matrik stroma kloroplas. Pada bagian ini, terdapat seluruh
perangkat untuk reaksi-reaksi penyusunan zat gula. Reaksi tersebut
memanfaatkan zat berenergi tinggi yang dihasilkan pada reaksi
terang yaitu ATP dan NADPH. Pada tumbuhan proses biokimia yang
terpicu adalah siklus Calvin yang mengikat karbon dioksida untuk
membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti glukosa).
Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada
tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap
(tanpa cahaya).Reaksi Gelap yang melewati siklus Calvin Benson ,
dimana tumbuhan mengubah senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi
senyawa dengan jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa
3-phosphogliserat. Oleh karena itulah tumbuhan yang menjalankan
reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3.
Dari siklus diatas dapat disimpulkan bahwa siklus Calvin Benson
adalah sebagai berikut :1.Fase fiksasi. CO2 yang berdifusi dari
udara akan masuk ke dalam daun . Selanjutnya , CO2 tersebut akan
difiksasi oleh RuBP(ribulosa bifosfat) dan terbentuk asam
fosfogliserat(PGA)2.Fase Reduksi, PGA mengalami reduksi oleh NADPH
dan mengalami penambahan fosfat dari ATP yang dihasilkan dari
fotosistem 1 reaksi terang sehingga terbentuk
fosfogliseraldehid(PGAL). Satu molekul PGAL akan diubah menjadi
senyawa lain, yaitu fruktosa , glukosa, atau amilum.3.Fase
regenerasi, yaitu terbentuknya RuBP kembali, lalu kembali pada
fungsi awalnya.