BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR
BELAKANG
Fotosintesis
sudah akrab kita dengar. Pada dasarnya, fotosintesis merupakan proses
penyusunan karbohidrat atau zat gula dengan menggunakan energi matahari.
Matahari sebagai sumber energi utama bagi kehidupan di Bumi. Namun tidak semua
organisma mampu secara langsung menggunakannya. Hanya golongan tumbuhan dan
beberapa jenis bakteri saja yang mampu menyerap energi matahari dan
memanfaatkannya untuk fotosinrtesis. Melalui fotosintesis, tumbuhan menyusun
zat makanan yaitu karbohidrat (pati / gula). Karena kemampuan menyusun
makanannya sendiri inilah, tumbuhan disebut organisma ototrof.
1.1 TUJUAN
DAN MANFAAT
1.1.1 TUJUAN
Untuk
mengetahui bagaimana proses terjadinya reaksi terang
1.1.2 MANFAAT
Agar
mahasiswa dapat memahami secara detail mengenai proses terjadinya reaksi terang
beserta tahap-tahapan terjadinya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Definisi dan Sejarah
Fotosintesis
Fotosintesis
pada hakikatnya merupakan satu-satunya mekanisme masuknya energi ke dalam dunia
kehidupan. Satu-satunya kekecualian terjadi pada bakteri kemosintetik, yang
memperoleh energi dengan mengoksidasi subtrat anorganik seperti ion besi dan
belerang terlarut dari kerak bumi, atau mengoksidasi H2S yang berasal dari
kegiatan gunung berapi. Selain itu arus panas di dasar lautan memaksakan energi
ke sistem biologi dalam bentuk bahang.
Sebagaimana
reaksi oksidasi penghasil energi, yaitu tempat bergantungnya semua kehidupan,
fotosintesis meliputi reaksi oksidasi dan reduksi. Proses keseluruhan adalah
oksidasi air (pemindahan elektron disertai pelepasan oksigen sebagai hasil
samping) dan reduksi CO2 untuk membentuk senyawa organic, misalnya
karbohidrat. Selama proses pembakaran dan respirasi, elektron dilepaskan dari
senyawa karbon dan diluncurkan ke bawah (istilah energi), dan kemudian elektron
tersebut dan H+ bergabung dengan penerima elektron kuat, O2, untuk menghasilkan
H2O yang mantap. Dengan cara ini, fotosintesis menggunakan energi cahaya untuk
mengangkut elektron “ke atas”, menjauhi H2O, menuju penerima elektron yang
lebih lemah, CO2.
Fotosintesis
meliputi reaksi reduksi dan oksidasi.Proses keseluruhan adalah oksidasi air (
pemindahan elektron disertai pelepasan O2 sebagai hasil samping ) dan reduksi
CO2 untuk membentuk senyawa organik, misalnya karbohidrat. Foto berarti cahaya
dan sintesis berarti membuat. Fotosintesis merupakan proses pembentukan bahan
organik dari bahan anorganik ( CO2, H2O, H2S ) dengan bantuan cahaya
matahari dan klorofil
Energi cahaya
n CO2 + nH2O -------------------------->> ( CH2O ) n + n O2
Klorofil
Pada reaksi ini ( CH2O )n
adalah singkatan dari pati atau karbohidrat lain yang mempunyai rumus empiris
yang sangat dekat.
Fotosintesis merupakan proses
penting, karena :
1.
Sebagai sumber enrgi bagi semua makhluk hidup. Fotosintesis dapat mengubah
tenaga cahaya matahari ( tenaga fisik ) menjadi tenaga kimia (ATP dan NADPH2 ).
2.
Menyediakan oksigen ( O2 ) yang penting bagi organisme aerob.
3.
Kecepatan fotosintesis menentukan pertumbuhan dan hasil tumbuhan.
4.
Diperlukan untuk sintesis berbagai senyawa organik yang dibutuhkan oleh hewan
dan manusia. Fotosintesis merubah CO2 hasil respirasi menjadi karbohidrat,
menghasilkan rangka karbon yang menjadi bahan dasar pembentukan senyawa-senyawa
organik lain.
Sebelum awal
abad ke-18, para ilmuwan percaya bahwa tumbuhan memperoleh semua bahan
penyusunnya dari tanah. Pada tahun 1727, Stephen Hales mengemukakan bahwa
sebagian makanan tumbuhan berasal dari atmosfer, dan cahaya terlibat dalam
proses ini. Pada saat itu belum diketahui bahwa udara mengandung unsur gas yang
berlainan.
Pada tahun
1771, Joseph Priestley, seorang pastor dan ahli kimia berkebangsaan Inggris,
menyinggung O2 (walaupun zat yang disebutnya sebagai ‘udara yang tidak mudah
terbakar’ ini belum dikenal sebagai molekul) ketika ia menemukan bahwa tumbuhan
hijau dapat memperbarui udara yang kotor akibat pernapasan hewan. Kemudian
seorang dokter berkebangsaan Belanda, Jan Ingenhousz, memperlihatkan bahwa
cahaya diperlukan untuk memurnikan udara tersebut. Ia menemukan bahwa tumbuhan
juga ‘mengotori udara’ pada keadaan gelap. Sungguh mengherankan, lalu ia
menyarankan agar tumbuhan dikeluarkan dari rumah pada malam hari untuk mencegah
kemungkinan meracuni penghuninya. Hal ini dan percobaan perintis sebelumnya
pada awal tahun 1700an oleh Stephen Hales, ditelaah oleh Gest (1988).
Pada tahun
1782, Jean Senibier memperlihatkan bahwa adanya gas beracun yang dihasilkan
oleh hewan dan tumbuhan pada keadaan gelap (CO2) memacu produksi ‘udara murni’
(O2) saat ada cahaya. Jadi pada saat itu, keikutsertaan dua macam gas dalam
fotosintesis telah ditunjukkan. Penelitian Lavoisier dan peneliti lainnya
memperlihatkan bahwa kedua gas tersebut adalah CO2 dan O2. Air disinggung oleh
NT de Saussure ketika pada tahun 1804 ia pertama kali mengukur fotosintesis
secara kuantitatif. Ia mendapatkan bahwa tumbuhan bertambah bobot keringnya
selama fotosintesis dan penambahan bobot ini lebih besar daripada selisih bobot
CO2 yang diserap dan bobot O2 yang dilepaskan. Ia secara benar menyatakan bahwa
selisih tersebut disebabkan oleh H2O. dinyatakan juga bahwa CO2 dan O2
dipertukarkan dalam volume yang kira-kira sama selama proses fotosintesis.
Sifat produk
kimia lain dari fotosintesis, yaitu bahan organic, diperlihatkan oleh Julius
Sachs pada tahun 1864 ketika ia mengamati pertumbuhan butir pati dalam
kloroplas yang disinari. Pati tampak terbentuk hanya pada bagian daun yang
terpajang pada cahaya. Jadi reaksi keseluruhan fotosintesis adalah sebagai
berikut:
nCO2
+ nH2O + cahaya à (CH2O)n + nO2
Pada reaksi
ini (CH2O)n adalah singkatan dari pati atau karbohidrat lain yang mempunyai
rumus empiris mirip dengan itu. Pati merupakan produk fotosintesis yang paling
banyak di dunia yang dibuat oleh kloroplas.
Penemuan
penting berikutnya diperoleh CB van Niel, yang pada awal tahun 1930an
menunjukkan kemiripan antara keseluruhan proses fotosintesis pada tumbuhan
hijau dan pada bakteri tertentu. Berbagai bakteri dikenal mereduksi CO2 dengan
menggunakan energi cahaya dan sumber elektron bukan air. Beberapa bakteri
tersebut menggunakan asam organic seperti asam asetat atau asam suksinat
sebagai sumber elektron, sedangkan bakteri lainnya yang diamati van Neil
menggunakan H2S, dengan hasil samping endapan belerang. Persamaan fotosintesis
pada bakteri tersebut diyakini sebagai berikut:
nCO2 + 2nH2S
+ cahaya à (CH2O)n + nH2O + 2nS
Jika reaksi
ini dibandingkan dengan reaksi di atasnya, terdapat analogi antara peranan H2S
dan H2O, serta antara O2 dan belerang. Jadi van Neil menyimpulkan bahwa O2 yang
dilepaskan oleh tumbuhan berasal dari air, bukan dari CO2. Gagasan kesimpulan
ini didukung oleh penelitian Robin Hill dan R Scarisbrick di Inggris pada akhir
tahun 1930an. Mereka memperlihatkan bahwa kloroplas dan bagian kloroplas yang
disolasi dapat melepaskan O2 pada keadaan terang jika mereka diberi penerima
yang tepat bagi elektron yang diambil dari air. Garam Feri (Fe3+) tertentu
merupakanpenerima elektron paling awal yang tersedia di kloroplas, dan garam
tersebut direduksi menjadi bentuk fero (Fe2+). Pemisahan air yang dikendalikan
cahaya (fotolisis) tanpa adanya penambatan CO2 ini kemudian dikenal sebagai
reaksi Hill. Penelitian Hill dan Scarisbrick memperlihatkan bahwa keseluruhan
sel tidak diperlukan bagi sekurangnya beberapa reaksi fotosintesis, dan bahwa
pelepasan O2 pada keadaan terang mutlak berhubungan dengan reduksi CO2.
Bukti yang
lebih kuat bahwa pelepasan O2 berasal dari H2O diperoleh pada tahun 1941 dari
hasil penelitian Samuel Ruben dan Martin Kamen. Mereka memasok ganggang hijau
Chlorella dengan H2O yang mengandung 18O, isotop oksigen yang berat dan
tak-radioaktif yang dapat dilacak dengan spectrometer massa. O2 yang dilepaskan
dalam fotosintesis menjadi bertanda 18O, jadi mendukung hipotesis van Neil.
Karena alas an teknis, penelitian Ruben tidak dapat membuktikan bahwa O2
semuanya berasal dari H2O, tetapi penelitian berikutnya oleh Alan Stemler dan
Richard Radmer (1975) Nampak mampu membuktikannya. Karena itu persamaan
fotosintesis sebelumnya diubah dengan memasukkan dua molekul H2O sebagai
pereaksi.
nCO2 +
2nH2O + cahaya --kloroplas--> (CH2O)n + nO2 + nH2O.
Pada tahun
1951 ditemukan bahwa salah satu kandungan alami tumbuhan – koenzim yang
mengandung vitamin B (niasin atau nikotinamida) dan disebut nikotinamida
adenine dinukleotida fosfat (disingkat NADP+) - dapat juga bertindak
sebagai pereaksi Hill, dengan menerima elektron dari air pada reaksi yang
berlangsung di membran tilakoid yang diisolasi atau di kloroplas yang rusak.
Penemuan ini memacu lagi penelitian fotosintesis, sebab telah dikenal bahwa
bentuk tereduksi dari NADP+ yaitu NADPH, dapat mengangkut elektron ke beberapa
senyawa tumbuhan, dan diperkirakan bahwa perannya yang lazim di kloroplas
adalah mereduksi CO2. Jadi salah satu fungsi penting cahaya dalam fotosintesis
adalah mengangkut elektron dari H2O untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH.
Fungsi lainnya adalah menyediakan energi untuk membentuk ATP dan Pi.
Perubahan
ADP dan Pi menjadi ATP di kloroplas ditemukan di Laboratorium Daniel Aron di
University of California, Berkeley, pada tahun 1954 (ditelaah oleh Aron, 1984).
Sebelum itu mekanisme penting yang dikenal untuk membentuk ATP hanya respirasi,
khususnya reaksi di mitokondria yang disebut fosforilasi oksidatif. Aron
menemukan bahwa ATP disintesis dalam kloroplas yang diisolasi hanya pada waktu
ada cahaya, dan proses tersebut dinamakan fosforilasi fotosintetik atau
fotofosforilasi.
Fotofosforilasi
di kloroplas menghasilkan ATP lebih banyak dalam daun selama ada cahaya
daripada fosforilasi oksidasi di mitokondria daun tersebut, dan perbedaan ini
sangat nyata. Tapi pada persamaan reaksi ketiga tidak menyebut tentang ATP,
NADPH, atau NADP+. Alasannya adalah karena setelah ATP dan NADPH terbentuk,
energinya digunakan dalam proses reduksi CO2 dan sintesis karbohidrat; dan
kemudian ADP, Pi, serta NADP+ dilepaskan lagi. Jadi ADP dan Pi segera diubah
menjadi ATP oleh energi cahaya, dan secepat itu pula ATP dirombak ketika
fotosintesis terjadi, pada laju yang tetap.
Dalam
sejarah, beberapa ahli telah melakukan penelitian yang berkaitan dengan
fotosintesis, antara lain Ingenhousz, Engelmann, Sachs, Hill, dan Blackman.
a. Ingenhousz
Pada
tahun 1770, Joseph Priestley seorang ahli kimia Inggris memperlihatkan bahwa
tumbuhan mengeluarkan suatu gas yang dibutuhkan dalam pembakaran. Dia
mendemonstrasikan hal ini dengan cara membakar lilin dalam suatu wadah tertutup
sampai api mati. Lalu ia menyimpan setangkai tumbuhan mint dalam ruang tertutup
itu dan dapat mempertahankan nyala api sampai beberapa hari. Meskipun Priestley
tidak tahu jenis gas apa yang dikeluarkan tumbuhan, tetapi apa yang
dilakukannya memperlihatkan bahwa tumbuhan menghasilkan oksigen ke udara. Pada
tahun 1799, seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Jan Ingenhousz
berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan oksigen (O2). la
melakukan percobaan dengan tumbuhan air Hydrilla verticillata di bawah corong
kaca bening terbalik yang dimasukkan ke dalam gelas kimia berisi air. Jika
Hydrilla verticillata terkena cahaya matahari, maka akan timbul
gelembung-gelembung gas yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reaksi.
Ternyata gas tersebut adalah oksigen. Beliau juga membuktikan bahwa cahaya
berperan penting dalam proses fotosintesis dan hanya tumbuhan hijau yang dapat
melepaskan oksigen.
b. Engelmann
Pada
tahun 1822 Engelmann berhasil membuktikan bahwa klorofil merupakan faktor yang
harus ada dalam proses fotosintesis. la melakukan percobaan dengan ganggang
hijau Spirogyra yang kloroplasnya berbentuk pita melingkar seperti spiral.
Dalam percobaan tersebut ia mengamati bahwa hanya kloroplas yang terkena cahaya
mataharilah yang mengeluarkan oksigen. Hal itu terbukti dari banyaknya bakteri
aerob yang bergerombol di sekitar kloroplas yang terkena cahaya matahari.
c. Sachs
Pada
tahun 1860, seorang ahli botani Jerman bernama Julius von Sachs berhasil
membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum (zat tepung). Adanya
zat tepung ini dapat dibuktikan dengan uji yodium, sehingga percobaan Sachs ini
juga disebut uji yodium.
d. Hill
Theodore
de Smussure, seorang ahli kimia dan fisiolog tumbuhan dari Swiss menunjukkan
bahwa air diperlukan dalam proses fotosintesis. Temuan ini diteliti lebih
lanjut sehingga pada tahun 1937 seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama
Robin Hill berhasil membuktikan bahwa cahaya matahari diperlukan untuk memecah
air (H2O) menjadi hidrogen (H) dan oksigen (O2). Pemecahan ini disebut
fotolisis.
e. Blackman
Pada
tahun 1905 Blackman membuktikan bahwa perubahan karbon dioksida (CO2) menjadi
glukosa (C6H12O6) berlangsung tanpa bantuan cahaya matahari. Peristiwa ini
sering disebut sebagai reduksi karbon dioksida. Dengan demikian dalam
fotosintesis ada dua macam reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Yang
merupakan reaksi terang (reaksi Hill) adalah fotolisis, yang merupakan reaksi
gelap (reaksi Blackman) adalah reduksi karbon dioksida. Gabungan antara reaksi
terang dan reaksi gelap itulah yang kita kenal sekarang sebagai reaksi
fotosintesis. Pada tahun 1940 Melvin Calvin dan timnya berhasil menemukan
urutan reaksi/proses yang berlangsung pada reaksi gelap. Rangkaian reaksi itu
selalu berulang terus menerus dan disebut siklus Calvin.
2.2 Struktur Kloroplas
Kloroplas
adalah plastida yang berwarna hijau, umumnya berbentuk lensa, terdapat dalam
sel tumbuhan lumut (Bryophyta), paku-pakuan (Pterydophyta) dan tumbuhan berbiji
(Spermatophyta). Garis tengah lensa tersebut 2-6 milimikron, sedangkan tebalnya
0,5-1,0 milimikron. Kloroplas terdapat pada hampir seluruh tumbuhan, tetapi
tidak umum dalam semua sel. Bila ada, maka tiap sel dapat memiliki satu sampai
banyak plastida . Plastida adalah organel bermembran rangkap yang bentuk dan
fungsinya bermacam-macam. Proplastida merupakan prekursor berbagai macam
plastida dalam jaringan tanaman, tergantung pada macam jaringan dan macam
lingkungan yang berpengaruh, proplastida berdiferensiasi menjadi plastida yang
berbeda.
Pengamatan
dengan mikroskop cahaya, dengan pembesaran yang paling kuat, kloroplast
terlihat berbentuk butir. Pada tumbuhan tingkat tinggi umumnya plastida
berbentuk cakram (kira-kira 2 x 5 mm, kadang-kadang lebih besar), tersusun
dalam lapisan tunggal dalam sitoplasma tetapi bentuk dan posisinya berubah-ubah
sesuai dengan intensitas cahaya. Pada ganggang, bentuknya dapat seperti
mangkuk, spiral, bintang menyerupai jaring, seringkali disertai pirenoid.
Kloroplas matang pada beberapa ganggang, bryophyta dan lycopodium dapat
memperbanyak diri dengan pembelahan. Kesinambungan kloroplas terjadi melalui
pertumbuhan dan pembelahan proplastid di daerah meristem. Bentuk kloroplast
yang beraneka ragam ditemukan pada alga. Kloroplast bernbentuk pita spiral
ditemukan padaSpirogyra, sedangkan yang berbentuk jala ditemukan
pada Cladophora, sedangkan kloroplast berbentuk pita ditemukan
pada Zygnema.
Kloroplas
dijumpai terutama pada bagian daun yang disebut mesofil, yang sering disebut
pula daging daun. Kloroplas juga dijumpai di bagian-bagian lain, bahkan juga
pada batang dan ranting yang berwarna hijau. Hal ini disebabkan karena dalam
kloroplas terdapat pigmen yang berwarna hijau disebut klorofil. Pigmen ini
dapat menyerap energi cahaya. Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan
perubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid,
sedangkan pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintesis berlangsung di
stroma. Disamping klorofil a ( pigmen berwarna hijau ) dikenal pula klorofil b
yang mempunyai struktur mirip klorofil a, yaitu pigmen yang berwarna kuning
sampai jingga yang disebut karoten.
Seperti
halnya mitokondria, kloroplas dikelilingi oleh membran luar dan membran dalam.
Seperti membran luar pada mitokondria, membran luar kloroplas juga mengandung
porin yang menyebabkan membran ini permeable terhadap molekul dengan ukuran
10.000 dalton. Sebaliknya membran dalam relatif lebih impermeabel. Membran
dalam menutupi daerah yang berisi cairan yang disebut stroma yang mengandung
enzim untuk reaksi terang pada proses fotosintesis. Stroma juga mengandung DNA
dan ribosom. Pelipatan membran dalam membentuk struktur seperti tumpukan
piringan yang saling berhubungan yang disebut tilakoid yang tersusun membentuk
grana. Membran tilakoid yang mengelilingi ruang interior tilakoid yang berisi
cairan mengandung klorofil dan pigmen fotosintesis lain serta rantai transport
elektron. Reaksi terang dari fotosintesis terjadi di tilakoid. Membran luar
kloroplas menutupi ruang intermembran antara membran dalam dan membran luar kloroplas.
Seperti pada matriks mitokondria, stroma kloroplas mengandung molekul DNA
sirkuler dan ribosom. Diperkirakan pula terdapat sekitar 60 macam polipeptida
pada membran tilakoid. Setengah diantaranya dikode oleh DNA kloroplas. Sebagian
besar protein dalam kloroplas dikode oleh gen nuklear, dihasilkan di sitoplasma
dan selanjutnya dikirim ke kloroplas.
Berikut
adalah struktur dari kloroplas :
Keterangan :
1. membran luar
2. ruang antar membran
3. membran dalam (1+2+3: bagian amplop)
4. stroma
5. lumen tilakoid (inside of thylakoid)
6. membran tilakoid
7. granum (kumpulan tilakoid)
8. tilakoid (lamella)
9. pati
10. ribosom
11. DNA plastida
12. plastoglobula
2.3 Kloroplas dan Fotosintesis
Pemahaman pertama menyangkut fotosintesis ditunjukkan oleh C.B. van Niel pada
tahun 1930 dengan memberikan reaksi fotosintesis sebagai berikut:
CO2 + H2O à (CH2O) +
O2.
Energi dari matahari digunakan
untuk memecah CO2, melepaskan O2 dan mentransfer atom karbon ke molekul
air untuk membentuk karbohidrat (CH2O). Dari melihat reaksi di atas tampak
bahwa reaksi fotosintesis merupakan kebalikan dari reaski respirasi sel.
Akan tetapi tumbuhan tidak menghasilkan makanan dengan hanya membalik reaksi.
Pada respirasi reaksinya merupakan reaksi redoks. Energi dilepas dari gula pada
saat elektron yang berikatan dengan hidrogen diangkut ke oksigen yang membentuk
air sebagai hasil samping. Elektron akan kehilangan energi potensialnya karena
oksigen elektronegatif yang akan menarik elektron melalui rantai transport
elektron. Mitokondria menggunakan energi ini untuk menghasilkan ATP. Seperti
respirasi sel, fotosintesis juga merupakan reaksi redoks yang membalik arah
aliran elektron. Air terurai dan elektron ditransfer bersama dengan ion
hidrogen dari air ke karbondioksida dan mereduksinya menjadi gula. Elektron
bertambah energi potensialnya ketika electron ini dipindahkan dari air ke gula.
Persamaan reaksi fotosintesis tampak seperti suatu reaksi yang sangat sederhana
dari suatu proses yang sangat rumit. Akan tetapi sebenarnya fotosintesis
bukanlah merupakan suatu poses tunggal. Fotosintesis terdiri dari dua proses
yang masing-masing terdiri dari banyak tahapan reaksi. Kedua tahap reaksi
tersebut terdiri dari reaksi terang (fotolisis) dan reaksi gelap (siklus
Calvin).
BAB III
ISI
Fotosintesis adalah
proses pembentukan zat makanan (glukosa) pada tumbuhan yang menggunakan zat
hara, air dan karbondioksida dengan bantuan sinar matahari. Fotosintesis sangat
penting bagi kehidupan. Selain menghasilkan zat makanan pada tumbuhan, proses
ini juga menghasilkan oksigen yang dibutuhkan bagi pernafasan manusia. Proses
fotosintesis terjadi pada daun tumbuhan. Proses fotosintesis ini tidak
berlangsung pada semua sel tetapi hanya pada sel yang mengandung pigmen
fotosintetik. Disamping itu proses fotosintesis juga dipengaruhi oleh kemampuan
daun menyerap spektrum cahaya, perbedaan ini disebabkan oleh adanya perbedaan
pigmen pada jaringan daun. Kloroplas adalah salah satu pigmen fotosintetik yang
berperan penting dalam proses fotosintesis dengan menyerap energi matahari.
Kloroplas adalah
zat hijau daun yang terdapat pada semua tumbuhan yang berwarna hijau. Di dalam
kloroplas terdapat klorofil. Pigmen fotosintesis ini terdapat pada membran
tilakoid. Pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam
tilakoid dengan produk akhir berupa glukosa yang dibentuk di dalam
stroma.Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian dari perangkat
dalam fotosintesis yang dikenal sebagai fotosistem. Fotosistem adalah unit dari
tumbuhan yang menangkap energi matahari (klorofil).
Persamaan reaksi kimia fotosintesis adalah sebagai berikut :
Persamaan reaksi kimia fotosintesis adalah sebagai berikut :
H2O (air) + CO2 (karbondioksida) + cahaya → CH2O (glukosa) + O2 (oksigen)
Lambat cepatnya proses fotosintesis ditentukan oleh :
1. Intensitas
Cahaya
Laju fotosintesis maksimal
jika jumlah cahaya banyak
2. Suhu
Enzim yang bekerja pada proses
ini maksimal pada suhu yang diinginkan
3. Banyaknya
Karbondioksida
Semakin banyak semakin
maksimal poses fotosintesis
4. Banyaknya
Air
Semakin banyak, semakin maksimal
proses fotosintesis
5. Tahapan
Pertumbuhan
Tumbuhan yang masih
berkecambah menunjukkan laju fotosintesis yang maksimal pada tumbuhan dewasa
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).
Reaksi
terang terjadi pada grana (tunggal: granum), sedangkan reaksi gelap terjadi di dalam stroma. Dalam reaksi terang, terjadi konversi energi cahaya menjadi energi kimia dan menghasilkan oksigen (O2). Sedangkan dalam reaksi
gelap terjadi seri reaksi siklik yang membentuk gula dari bahan dasar CO2 dan energi (ATP dan NADPH). Energi yang digunakan dalam reaksi gelap ini diperoleh dari reaksi
terang. Pada proses reaksi gelap tidak dibutuhkan cahaya matahari. Reaksi gelap
bertujuan untuk mengubah senyawa yang mengandung atom karbon menjadi molekul
gula. 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). 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. 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
3.2 Reaksi Terang
Berikut tahapan-tahapan reaksi terang :
Berikut tahapan-tahapan reaksi terang :
- Tahap pertama dari system fotosintesis adalah
reaksi terang
- Reaksi ini memerlukan molekul air
- Reaksi ini sangat bergantung kepada ketersediaan
sinar matahari.
- Proses diawali dengan penangkapan foton oleh
pigmen sebagai antena.
- Sinar matahari yang berupa foton yang terbaik
adalah sinar merah dan ungu
- Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna ungu
(400-450 nanometer) dan merah (650-700 nanometer) dibandingkan hijau
(500-600
nanometer). Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan ditangkap oleh mata kita
sehingga menimbulkan sensasi bahwa daun berwarna hijau. - Fotosintesis akan menghasilkan lebih banyak energi pada gelombang
cahaya dengan panjang tertentu. Hal ini karena panjang gelombang yang
pendek menyimpan lebih banyak energi.
- Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul
klorofil untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi
- Reaksi ini melibatkan beberapa kompleks protein
dari membran tilakoid berupa pigmen yang terdiri dari sistem cahaya yang
disebut fotosistem
- Dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau
fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I.
- fotosistem I dan II sebagai sistem pembawa
elektron
- Fotosistem terdapat perangkat komplek protein
pembentuk ATP berupa enzim ATP sintase.
- Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya
dengan panjang
gelombang 680 nanometer, - sedangkan fotosistem I 700 nanometer.
- Kedua fotosistemini akan bekerja secara simultan dalam fotosintesis,
seperti dua baterai dalam senter yang bekerja saling memperkuat.
- Fotosintesis dimulai ketika cahaya mengionisasi molekul klorofil pada
fotosistem II(P.680)
- Fotosistem II melepaskan elektron yang akan ditransfer sepanjang
rantai transpor
elektron. - Energi dari elektron ini digunakan untuk fotofosforilasi yang
menghasilkan ATP , satuan pertukaran energi dalam sel.
- Reaksi ini menyebabkan fotosistem II mengalami defisit atau kekurangan
elektron yang harus segera diganti.
- Pada tumbuhan dan alga, kekurangan elektron ini dipenuhi oleh elektron
dari hasil ionisasi air yang terjadi bersamaan dengan ionisasi klorofil.
- Hasil ionisasi air ini adalah elektron dan oksigen.
- Oksigen dari proses fotosintesis hanya dihasilkan
dari air, bukan dari karbon dioksida
- Pada saat yang sama dengan ionisasi fotosistem II, cahaya juga
mengionisasi fotosistem I, melepaskan elektron yang ditransfer sepanjang
rantai transpor elektron yang akhirnya mereduksi NADP menjadi NADPH
- Jadi P 700 ( Photosistem I ) menhasilkan NADPH2 , sedang Phoyosistem
II (P 680) menghasilkan Oksigen dan ATP
- Reaksi terang mengubah energi cahaya menjadi
energi kimia, juga menghasilkan oksigen dan mengubah ADP dan NADP+ menjadi
energi pembawa ATP dan NADPH2.
- ATP dan NADPH2 inilah yang nanti akan digunakan
sebagaienergi dalam reaksi gelap
- Reaksi terang terjadi di tilakoid, yaitu struktur
cakram yang terbentuk dari pelipatan membran dalam kloroplas.
- Membran tilakoid menangkap energi cahaya dan
mengubahnya menjadi energi kimia. Jika ada bertumpuk-tumpuk tilakoid, maka
disebut grana
Reaksi
terang dari fotosintesis pada membran tilakoid
Reaksi terang adalah proses
untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2. Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan penangkapanfoton oleh pigmen sebagai antena.
Reaksi terang melibatkan dua
fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II. 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.
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. 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. Hal ini akan mengakibatkan pelepasan
H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II
akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH2. 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. Reaksi keseluruhan yang terjadi di
PS II adalah:
2H2O + 4 foton +
2PQ + 4H- → 4H+ + O2 + 2PQH2
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). Kejadian ini
juga menyebabkan terjadinya pompa H+ dari stroma ke membran
tilakoid. Reaksi yang terjadi pada sitokrom b6-f kompleks adalah:
2PQH2 + 4PC(Cu2+)
→ 2PQ + 4PC(Cu+) + 4 H+ (lumen)
Elektron
dari sitokrom b6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. 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. Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya,
PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke
protein Fe-S larut yang disebut feredoksin. Reaksi keseluruhan pada PS I
adalah:
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. Reaksi ini
dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase.
Reaksinya adalah:
4Fd (Fe2+) + 2NADP+ +
2H+ → 4Fd (Fe3+) + 2NADPH
Ion H+ yang
telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase. ATP
sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H+ melintasi
membran tilakoid. Masuknya H+ pada ATP sintase akan membuat ATP
sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP. Reaksi
keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut:
Sinar + ADP + Pi + NADP+ +
2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2
Secara
ringkas, reaksi terang pada fotosintesis ini terbagi menjadi dua, yaitufosforilasi siklik dan fosforilasi nonsiklik. Fosforilasi adalah reaksi penambahan gugus fosfat kepada senyawa organik
untuk membentuk senyawa fosfat organik. Pada reaksi terang, karena dibantu oleh
cahaya, fosforilasi ini disebut juga fotofosforilasi.
Reaksi
fotofosforilasi siklik adalah reaksi yang hanya melibatkan satu fotosistem,
yaitu fotosistem I. Dalam fotofosforilasi siklik, pergerakan elektron dimulai
dari fotosistem I dan berakhir di fotosistem I.
Pertama,
energi cahaya, yang dihasilkan oleh matahari, membuat elektron-elektron di P700
tereksitasi (menjadi aktif karena rangsangan dari luar), dan keluar menuju
akseptor elektron primer kemudian menuju rantai transpor elektron. Karena P700
mentransfer elektronnya ke akseptor elektron, P700 mengalami defisiensi
elektron dan tidak dapat melaksanakan fungsinya. Selama perpindahan elektron
dari akseptor satu ke akseptor lain, selalu terjadi transformasi hidrogen
bersama-sama elektron. Rantai transpor ini menghasilkan gaya penggerak proton,
yang memompa ion H+melewati membran, yang kemudian menghasilkan
gradien konsentrasi yang dapat digunakan untuk menggerakkan sintase ATP selama
kemiosmosis, yang kemudian menghasilkan ATP. Dari rantai transpor,
elektron kembali ke fotosistem I. Dengan kembalinya elektron ke fotosistem I,
maka fotosistem I dapat kembali melaksanakan fungsinya. Fotofosforilasi siklik
terjadi pada beberapa bakteri, dan juga terjadi pada semua organisme
fotoautotrof.
Berikut
adalah tahapan-tahapan dalam Fotofosforilasi Siklik secara sistematis :
• Pertama,
energi cahaya, yang dihasilkan oleh matahari,membuat elektron-elektron di
P700 menjadi aktif karenarangsangan dari luar
• elektron
yang terbentuk itu kemudian keluar menuju akseptorelektron primer kemudian
menuju rantai transpor elektron.
• Karena
P700 mentransfer elektronnya ke akseptor elektron,P700 mengalami defisiensi
elektron dan tidak dapatmelaksanakan fungsinya.
• Selama
perpindahan elektron dari akseptor satu ke akseptorlain, selalu terjadi
transformasi hidrogen bersama-sama elektronpada fotosistem P 700 itu
• Rantai
transpor ini menghasilkan gaya penggerak proton, yang memompa ion H+ melewati
membran, yang kemudianmenghasilkan gradien konsentrasi yang dapat digunakan
untukmenggerakkan sintase ATP selama kemiosmosis, yangkemudian menghasilkan ATP
• Dari
rantai transpor, elektron kembali ke fotosistem I. Dengankembalinya elektron ke
fotosistem I, maka fotosistem I dapatkembali melaksanakan fungsinya lagi
•
Fotofosforilasi siklik terjadi pada beberapa bakteri, dan jugaterjadi pada
semua organisme fotoautotrof
Reaksi
fotofosforilasi nonsiklik adalah reaksi dua tahap yang melibatkan dua
fotosistem klorofil yang berbeda, yaitu fotosistem I dan II. Dalam
fotofosforilasi nonsiklik, pergerakan elektron dimulai di fotosistem II, tetapi
elektron tidak kembali lagi ke fotosistem II.
Mula-mula,
molekul air diurai menjadi 2H+ + 1/2O2 + 2e-.
Dua elektron dari molekul air tersimpan di fotosistem II, sementara ion H+ akan
digunakan pada reaksi yang lain dan O2 akan dilepaskan ke udara
bebas. Karena tersinari oleh cahaya matahari, dua elektron yang ada di P680
menjadi tereksitasi dan keluar menuju akseptor elektron primer. Setelah terjadi
transfer elektron, P680 menjadi defisiensi elektron, tetapi dapat cepat
dipulihkan berkat elektron dari hasil penguraian air tadi. Setelah itu mereka
bergerak lagi ke rantai transpor elektron, yang membawa mereka melewati
pheophytin, plastoquinon, komplek sitokrom b6f, plastosianin, dan akhirnya
sampai di fotosistem I, tepatnya di P700. Perjalanan elektron diatas disebut
juga dengan “skema Z”. Sepanjang perjalanan di rantai transpor, dua elektron
tersebut mengeluarkan energi untuk reaksi sintesis kemiosmotik ATP, yang
kemudian menghasilkan ATP.
Sesampainya
di fotosistem I, dua elektron tersebut mendapat pasokan tenaga yang cukup besar
dari cahaya matahari. Kemudian elektron itu bergerak ke molekul akseptor,
feredoksin, dan akhirnya sampai di ujung rantai transpor, dimana dua elektron
tersebut telah ditunggu oleh NADP+ dan H+, yang
berasal dari penguraian air. Dengan bantuan suatu enzim bernama Feredoksin-NADP
reduktase, disingkat FNR, NADP+, H+, dan elektron
tersebut menjalani suatu reaksi:
NADP++H++2e-—>NADPH
Berikut
adalah tahapan-tahapan dalam Fotofosforilasi NonSiklik secara sistematis :
• Mula-mula,
molekul air diurai menjadi 2H++ 1/2O2+ 2e-.
• Dua
elektron dari molekul air tersimpan di fotosistem II
• Sedang ion
H+ akan digunakan pada reaksi yang lain
• dan O2
akan dilepaskan ke udara bebas.
• Karena
tersinari oleh cahaya matahari, dua elektron yang ada diP680 menjadi
tereksitasi dan keluar menuju akseptor elektronprimer.
• Setelah
terjadi transfer elektron, P680 menjadi defisiensielektron, tetapi dapat cepat
dipulihkan berkat elektron dari hasilpenguraian air tadi.
• Setelah
itu mereka bergerak lagi ke rantai transpor elektron,yang membawa mereka
melewati pheophytin, plastoquinon,komplek sitokrom b6f, plastosianin, dan
akhirnya sampai difotosistem I, tepatnya di P700.
• Perjalanan
elektron diatas disebut juga dengan "skema Z".
• Sepanjang
perjalanan di rantai transpor, dua elektron tersebutmengeluarkan energi untuk
reaksi sintesis kemiosmotik ATP,yang kemudian menghasilkanATP
.•
Sesampainya di fotosistem I, dua elektron tersebut mendapatpasokan tenaga yang
cukup besar dari cahaya matahari.
• Kemudian
elektron itu bergerak ke molekul akseptor, feredoksin,dan akhirnya sampai di
ujung rantai transpor, dimana duaelektron tersebut telah ditunggu oleh NADP+
dan H+, yangberasal dari penguraian air.
• Dengan
bantuan suatu enzim bernama Feredoksin-NADPreduktase, disingkat FNR, NADP+, H+,
dan elektron tersebutmenjalani suatu reaksi:
•
NADP++H++2e-—>NADPH
• NADPH,
sebagai hasil reaksi diatas, akan digunakan dalamreaksi Calvin-Benson, atau
reaksi gelap.
Fotofosforilasi siklik dan
fotofosforilasi nonsiklik memiliki perbedaan yang mendasar, yaitu sebagai
berikut
FOTOFOSFORILASI SIKLIK FOTOFOSFORILASI
NONSIKLIK
- Hanya
melibatkan fotosistem I
-
Melibatkan fotosistem I dan II
- Menghasilkan
ATP
-
Menghasilkan ATP dan NADPH
- Tidak
terjadi fotolisis air
-
Terjadi fotolisis air
BAB V
DAFTAR PUSTAKA
Campbell and Reece. 2002. Biologi. Jakarta: Erlangga.
Hopkin,
W.G., Huner, N.P.A. (2004). Introduction to Plant Physiology. Third
Edition. John Wiley and Sons, Inc. United State of America.
Lakitan,
Benyamin.2004. DASAR – DASAR FISIOLOGI TUMBUHAN. Jakarta: PT Raja Grafindo
Persada.
No comments:
Post a Comment