Proses Fotosintesis pada Tumbuhan, Reaksi Terang dan Gelap - Tumbuhan dan alga hijau memiliki kemampuan untuk menggunakan senyawa anorganik seperti CO2 dan H2O serta sumbangan cahaya matahari untuk mensintesis karbohidrat. Proses tersebut terjadi melalui peristiwa yang disebut fotosintesis. Oleh lantaran itu, organismenya bersifat fotoautotrof. Beberapa organisme fotoautotrof mencakup tumbuhan seperti lumut, pakis, flora paku, flora berbunga, alga hijau (rumput laut), dan Euglena. Bakteri belerang merupakan pola organisme khemotrof (akan dibahas pada kemosintesis). Fotosintesis merupakan satu-satunya penghasil makanan yang dibutuhkan bagi seluruh kehidupan organisme, termasuk insan (heterotrof). Penelitian pertama wacana fotosintesis dilakukan oleh van Helmont (1648). Dari hasil penelitiannya, ia menyatakan bahwa bertambahnya berat flora (yang telah ditanam selama lebih dari 5 tahun) disebabkan oleh pasokan air. Selanjutnya, berdasarkan penelitian Joseph priestly, tikus dan lilin yang menyala akan mati bila berada pada ruangan yang tertutup. Tanaman juga akan mati bila berada pada ruangan yang kekurangan oksigen. Sementara itu, berdasarkan seorang dokter dari Belanda yaitu Ingen-Housz, bila tumbuhan yang berada pada ruangan tersebut disinari, maka tikus dan lilin sanggup hidup dengan menghabiskan oksigen yang dihasilkan dari tanaman. Selanjutnya, dari hasil penelitian Senebier, diketahui bahwa pertumbuhan tanaman ditandai dengan meningkatnya kandungan karbon. Menurutnya, karbon dioksida akan diuraikan dan karbon tersebut akan bergabung dengan senyawa organik pada tanamannya dengan melepaskan oksigen.
Joseph Priestly adalah seorang andal kimia yang lahir pada tanggal 13 Maret 1733 di Fieldhead, Yorkshire, Inggris. Semasa mudanya, ia dididik untuk menjadi pendeta. Ia berguru di Akademi Daventry dan di sana mulai tertarik dengan ilmu alam (fisika). Setelah menjadi pendeta pada tahun 1755, ia mengajar di Akademi Warington, Lancashire lalu menulis buku Rudiments of English Grammar (1766). Pertemuannya dengan Benjamin Franklin di London (tahun 1976) mendorongnya untuk melaksanakan eksperimen di bidang kelistrikan, hingga akhirnya ia menulis buku The History of Electricity. (Sumber: Microsoft Encarta Premium 2006).
Berikut ini persamaan fotosintesis yang menghasilkan produk karbohidrat (dalam hal ini glukosa), berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya :
atau disederhanakan menjadi
6CO2 + 6H2O + energi cahaya → C6H12O6 + 6O2
Pada sel flora terdapat belahan yang berukuran kecil dan tersusun oleh zat putih telur dengan struktur (memipih) dan fungsi tertentu, disebut plastida. Plastida dibedakan menjadi plastida berpigmen dan tidak berpigmen. Kloroplas merupakan salah satu plastida yang berpigmen tersebut.
Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa fotosintesis terjadi pada flora yang berwarna hijau. Bahan-bahan yang dapat menyerap cahaya tampak disebut pigmen. Warna hijau pada bagian tumbuhan disebabkan oleh pigmen hijau (pigmen yang memantulkan atau meneruskan cahaya hijau) yang terkandung di dalam kloroplas, yaitu klorofil.
Pada setiap millimeter persegi permukaan daun terdapat sekitar ½ juta kloroplas. Oleh lantaran itu, daun merupakan belahan yang dominan berwarna hijau dan merupakan daerah utama untuk fotosintesis pada sebagian besar tumbuhan. Selain itu, fotosintesis juga dapat terjadi pada belahan batang yang hijau dan buah yang belum masak.
Kloroplas terdapat pada belahan dalam daun yang tersusun oleh sel-sel hidup dan sanggup melaksanakan proses-proses fisiologi, disebut mesofil. Di dalam kloroplas terdapat cairan atau fluida kental disebut stroma dan membran-membran halus berbentuk pipih menyerupai koin, sebagai tempat klorofil, disebut membran tilakoid. Di dalam membran tersebut terdapat ruangan yang disebut ruang tilakoid (lumen). Tumpukan dari beberapa membran tilakoid membentuk struktur yang disebut grana (tunggal = granum). Kloroplas diselubungi oleh 2 membran, yaitu membran dalam dan membran luar. Pada fotosintesis, masuknya karbondioksida ke daun dan keluarnya oksigen yang dihasilkan, melewati struktur yang disebut stomata (tunggal = stoma, dalam bahasa Yunani berarti mulut). Sebagaimana rangkaian reaksi kimia pada respirasi, rangkaian reaksi kimia pada fotosintesis merupakan reaksi penyederhanaan dari 2 tahapan reaksi dalam fotosintesis. Kedua reaksi tersebut yaitu reaksi terang (disebut belahan foto) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (disebut bagian sintesis).
 |
| Gambar 1. Kloroplas |
Sebagaimana rangkaian reaksi kimia pada respirasi, rangkaian reaksi kimia pada fotosintesis merupakan reaksi penyederhanaan dari 2 tahapan reaksi dalam fotosintesis. Kedua reaksi tersebut yaitu reaksi terang (disebut belahan foto) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (disebut bagian sintesis).
Pada reaksi terang, energi yang berasal dari matahari ( energi cahaya) akan diserap oleh klorofil dan diubah menjadi energi kimia (untuk mensintesis NADPH dan ATP) di dalam kloroplas. Reaksi terang terjadi di dalam grana. Salah satu pigmen yang berperan secara langsung dalam reaksi terang yaitu klorofil a. Di dalam membran tilakoid, klorofil bantu-membantu dengan protein dan molekul organik berukuran kecil lainnya membentuk susunan yang disebut fotosistem. Beberapa ratus klorofil a, klorofil b, dan karotenoid membentuk suatu kumpulan sebagai “pengumpul cahaya” yang disebut kompleks antena. Sebelum sampai ke pusat reaksi, energi dari partikel-partikel cahaya (foton) akan dipindahkan dari satu molekul pigmen ke molekul pigmen yang lain. Pusat reaksi merupakan molekul klorofil pada fotosistem, yang berfungsi sebagai daerah terjadinya reaksi kimiawi (reaksi cahaya) fotosintesis pertama kalinya.
Di dalam membran tilakoid terdapat 2 macam fotosistem berdasarkan urutan penemuannya, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Setiap fotosistem tersebut memiliki klorofil pusat reaksi yang berbeda, tergantung dari kemampuan menyerap panjang gelombang cahaya. Klorofil pusat reaksi pada fotosistem I disebut P700, lantaran mampu menyerap panjang gelombang cahaya 700 nm (spektrumnya sangat merah), sedangkan pada fotosistem II disebut P680 (spektrum merah).
 |
| Gambar 2. Kerja fotosistem |
Kalian tentu masih ingat bahwa di dalam fotosistem terdapat ratusan antena atau klorofil. Oleh lantaran itu, aliran elektron pada reaksi terang akan mengikuti suatu rute tertentu. Selanjutnya, bagaimanakah proses aliran elektron pada reaksi terang? Ada 2 kemungkinan aliran elektron pada reaksi terang. Nah, untuk menjawab hal tersebut simaklah uraian berikut.
Langkah awal dari reaksi terang yaitu transfer elektron tereksitasi dari klorofil pusat reaksi menuju molekul khusus yang disebut akseptor elektron primer. Air (H2O) diuraikan menjadi 2 ion hidrogen dan 1 atom oksigen kemudian melepaskan O2 Elektron yang berasal dari air (H2O) menggantikan elektron yang hilang pada P680. Sebagaimana sistem transportasi elektron pada respirasi aerobik, transport elektron pada reaksi terang ini melalui rantai transport elektron menuju fotosistem I (P700). Secara berturut-turut, rantai elektron tersebut yiatu: plastokuinon (Pq), merupakan pembawa elektron; kompleks sitokrom; dan plastosianin (Pc), merupakan protein yang mengan dung tembaga. Adanya aliran elektron ini akan menghasilkan energi- energi yang kemudian tersimpan sebagai ATP. Pembentukan ATP yang menggunakan energi cahaya melalui aliran elektron non siklis pada reaksi terang ini disebut fotofosforilasi non siklis.
Setelah elektron mencapai fotosistem I (P700), elektron ditangkap oleh penerima primer fotosistem I. Elektron melalui rantai transport elektron ke-dua, yaitu melalui protein yang mengandung besi atau feredoksin (Fd). Selanjutnya, enzim NADP+ reduktase mentransfer elektron ke NADP+ sehingga membentuk NADPH yang menyimpan elektron berenergi tinggi dan berfungsi dalam sintesis gula dalam siklus berikutnya yaitu siklus Calvin. Dengan demikian, reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH.
 |
| Gambar 3. Aliran elektron nonsiklik reaksi terang |
Pada aliran elektron siklis ini, elektron dari penerima primer fotosistem I dikembalikan ke fotosistem I (P700) melalui feredoksin, kompleks sitokrom, dan plastosianin. Oleh lantaran itu, pada aliran siklis ini menjadikan produksi ATP bertambah tetapi tidak terbentuk NADPH serta tidak terjadi pelepasan molekul O2. Proses pembentukan ATP melalui aliran siklis ini disebut fotofosforilasi siklis. Perhatikan Gambar 4.
 |
| Gambar 4. Aliran elektron siklik reaksi terang |
Bahan-bahan yang dihasilkan dari reaksi terang akan digunakan dalam siklus Calvin. ATP dipakai sebagai sumber energi dan NADPH sebagai tenaga pereduksi untuk penambahan elektron berenergi tinggi. Siklus Calvin terjadi pada bagian kloroplas yaitu stroma. Pada reaksi gelap ini, materi untuk fotosintesis (CO2) nantinya akan dibuat menjadi molekul gula sehabis melalui 3 tahapan, antara lain:
1) Fiksasi Karbon
Pada tahap ini, gula berkarbon 5 yang disebut ribulosa 1,5 bisfosfat (RuBP) mengikat CO2 membentuk senyawa interme diate yang tidak stabil, sehingga terbentuk 3-fosfogliserat. Pembentukan tersebut dikatalisis oleh enzim RuBP karboksilase atau rubisko. Sebagian besar flora sanggup melaksanakan fi ksasi karbon dan menghasilkan senyawa (produk) pertama berkarbon 3, yaitu 3-fos fo gliserat. Oleh lantaran itu, flora yang sanggup memfi ksasi CO2 ini disebut flora C3. Contohnya yaitu tanaman padi, gandum, dan kedelai. Pada beberapa tumbuhan, fiksasi karbon mendahului siklus Calvin dengan cara membentuk senyawa berkarbon 4 se ba gai produk pertamanya. Tumbuhan menyerupai ini disebut tumbuhan C4. Contohnya yaitu tebu, jagung, dan anggota rumput-rumputan.
Tidak menyerupai pada flora C3 dan C4, tumbuhan kaktus dan nanas membuka stomatanya pada malam hari dan menutupnya pada siang hari. Pada dikala stomata terbuka, flora mengikatkan CO2 pada banyak sekali asam organik. Cara fiksasi karbon ini pertama kali dtiemukan pada tumbuhan famili Crassulaceae (tumbuhan penyimpan air) dan disebut metabolisme asam krasulase (Crassulacean Acid Metabolism) sehingga tumbuh annya disebut flora CAM. Asam organik (senyawa intermediate) yang dibuat pada malam hari disimpan dalam vakuola sel mesofi l sampai pagi hari. Pada siang hari (stomata tertutup), reaksi terang sanggup memasok ATP dan NADPH untuk siklus Calvin. Pada dikala itu, asam organik melepaskan CO2 dan memasuki molekul gula (RuBP) dalam kloroplas. Dengan demikian, baik flora C3, C4, maupun CAM akan memakai siklus Calvin sehabis fiksasi CO2, untuk membentuk molekul gula dari karbondioksida.
 |
| Gambar 5. Masuknya produk reaksi terang ke siklus Calvin |
2) Reduksi
Setiap molekul 3-PGA mendapatkan gugus fosfat dari ATP sehingga terbentuk 1,3 bisfosfogliserat. Elektron dari NADPH mereduksi 1,3 bisfosfogliserat dan terbentuk 6 molekul gliseraldehid 3-fosfat (G3P), yang dikatalisis oleh G3P dehidrogenase. Satu molekul G3P akan keluar sebagai molekul gula atau glukosa dan senyawa organik lain yang diperlukan tumbuhan, sedangkan 5 molekul G3P yang lain akan masuk ke tahapan regenerasi.
3) Pembentukan kembali (regenerasi) RuBP
Pada tahapan terakhir siklus Calvin ini, RuBP sebagai pengikat CO2 dibentuk kembali oleh 5 molekul G3P. RuBP siap untuk mengikat CO2 kembali dan siklus Calvin sanggup berlanjut kembali. Dengan demikian, molekul gula tidak akan terbentuk hanya dengan reaksi terang atau siklus Calvin saja. Oleh lantaran itu, kedua
proses tersebut merupakan adonan proses untuk terjadinya fotosintesis. Pada materi sebelumnya, kalian telah mempelajari bahwa fotosintesis menghasilkan molekul gula. Gula yang dibuat dalam kloroplas tersebut akan dipakai untuk proses respirasi flora atau menyusun senyawa organik lainnya dalam sel tumbuhan. Gula tersebut akan diedarkan ke seluruh bagian tumbuhan, dalam bentuk gula sederhana seperti glukosa. Molekul-molekul gula berlebih yang terbentuk selama fotosintesis dan tidak diedarkan, akan menumpuk atau disimpan di dalam plastida sebagai sumber cadangan energi dalam bentuk amilum atau pati (polisakarida).
 |
| Gambar 6. Tahapan siklus Calvin |
Sebagaimana telah kalian ketahui bahwa proses fotosintesis memerlukan cahaya dan CO2 Oleh lantaran itu, faktor lingkungan seperti cahaya dan pasokan CO2 di dalam sel sanggup memengaruhi kecepatan fotosintesis. Faktor-faktor tersebut sanggup saling berinteraksi dalam memengaruhi fotosintesis. Jika intensitas cahaya rendah maka kecepatan fotosintesis akan rendah pula. Pada keadaan ini, cahaya dikatakan sebagai faktor pembatas. Salah satu cara untuk memilih kecepatan fotosintesis adalah dengan mengamati pembentukan oksigen. Pada saat intensitas cahaya mencapai titik tertentu (jenuh cahaya pada kondisi percoban) maka tidak akan memengaruhi produksi oksigen. Keadaan tersebut kemungkinan disebabkan CO2 menjadi faktor pembatas. Nah, jika konsentrasi CO2 tersebut ditingkatkan maka kecepatan fotosintesis akan meningkat dengan meningkatnya intensitas cahaya. Selain cahaya dan CO2 suhu juga sanggup memengaruhi kecepatan fotosintesis jika cahaya bukan sebagai faktor pembatas.
Menurut F.F. Blackman (tahun 1905), fotosintesis sanggup berlangsung jika ada cahaya dan akan berhenti bila tidak ada cahaya. Fotosintesis terdiri dari reaksi fotokimia dan reaksi enzimatis. Kondisi tanpa cahaya (gelap) sanggup menghambat pembentukan O2 melalui reaksi fotokimia. Selain faktor lingkungan, faktor dalam juga sanggup menghipnotis kecepatan fotosintesis, antara lain: konsentrasi enzim, kekurangan air, dan konsentrasi klorofil.
Anda kini sudah mengetahui Fotosintesis. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.
Referensi :
Rochmah, S. N., Sri Widayati, Mazrikhatul Miah. 2009. Biologi : Sekolah Menengan Atas dan MA Kelas XII. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta, p. 282.
