Fotosintesis adalah suatu proses biokimia yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri untuk memproduksi energi terpakai (nutrisi) dengan memanfaatkan energi cahaya. Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri.
Fotosintesis adalah suatu proses pembentukan bahan organik dari bahan anorganik (CO2, H2O, H2S ) dengan bantuan cahaya matahari dan klorofil. Reaksi keseluruan fotosintesis dapat di tuliskan sebagai berikut :
12H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2 + 6H2O
Fotosintesis terjadi pada tumbuhan yang bersifat autotrof. Autotrof artinya di sini dapat mensintesis makanan langsung. dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis.
Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.
Gambar : Daun Hijau Yang Mengandung Klorofil
Komponen Fotosintesis
Cahaya dan Klorofil
Sumber energi dari semua makhluk hidup adalah matahari. Panjang gelombang cahaya matahari yang sampai di permukaan bumi meliputi 310 hingga 2300 nm. Sinar lebih panjang dari 2500 nm (2,5 u) terutama digunakan dalam fotosintesis. Klorofil atau pigmen yang lain itu akan tetap dalam keadaan tereksitas untuk waktu yang singkat, energi eksitasi yang diinduksi dalam suatu molekul atau atom oleh satu foton dapat hilang menurut tiga cara, yaitu :
- Energi dapat hilang sebagai panas/kalor
- Energi dapat sebagaian hilang sebagai panas dan sisanya sebagai cahaya tampak dengan panjang gelombang lebih panjang dari panjang gelombang yang diabsorsi, dinamakan fluoresensi.
- Energi dapat digunakan untuk melakukan suatu reaksi kimia.
Senyawa kimia yang penting dalam mengubah energi cahaya menjadi energi kimia pada tumbuhan tinggi adalah pigmen-pigmen yang terdapat dalam kloroplas. Melalui pigmen-pigmen inilah cahaya memulai proses fotosintesis. Pigmen-pigmen tersebut terdapat di dalam kloroplas yaitu pada membran interna yang disebut tilakoid. Pada beberapa daerah tilakoid itu menumpuk membentuk grana.
Fotosintesis memerlukan agar energi eksitasi dari berbagai pigmen dipindahkan ke pigmen pengumpul-energi yaitu ke satu pusat reaksi. Dalam tilakoid, setiap foton dapat mengeksitasi satu elektron dalam karotenoid atau klorofil. Klorofil berwarna hijau karena mengabsorpsi panjang gelombang hijau secara tidak efektif dan panjang gelombang itu direfleksikan atau ditransmisikan. Absorpsi relatif berbagai panjang gelombang oleh suatu pigmen dapat diukur dengan spektrofotometer. Grafik absorpsi ini sebagai fungsi panjang gelombang disebut spektrum absorpsi. Absorpsi spektrum klorofil a dan b menunjukkan bahwa sangat sedikit cahaya hijau dan kuning-hijau antara 500 dan 600 nm diabsorpsi in vitro; ke dua klorofil dengan kuat mengabsorpsi panjang gelombang violet dan biru serta lembayung dan merah.
Karatenoid dalam tilakoid juga menyerahkan energi eksitasinya ke pusat reaksi yang sama seperti halnya klorofil. Spektrum absorpsi β-karoten dan lutein menunjukkan bahwa pigmen kuning ini hanya mengabsorpsi panjang gelombang biru dan violet in vitro. Mereka merefleksikan dan mentransmisikan panjang gelombang hijau, kuning, lembayung dan merah dan kombinasinya nampak kuning.
Karbondioksida dan Air
Suatu peristiwa yang cukup penting, yaitu pada suatu ketika dalam proses fotosintesis terjadi penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen.
H2 ditangkap oleh suatu akseptor (A) :
Reaksi ini disebut reaksi Hill. Kini telah diketahui bahwa akseptor hidrogen adalah senyawa NADP. 2 AH2 akan digunakan dalam fiksasi CO2.
Dari hal-hal tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa fotosintesis terdiri atas dua fase yang penting :
Fase I : Reaksi fotokimia; reaksi fotolisis; reaksi fotofosforilasi; reaksi cahaya; reaksi Hill. Reaksi malahan dapat berlangsung dalam grana yang diisolasi. Reaksi fotokimia menghasilkan ATP dan NADPH2.
Fase I ini diikuti oleh fase II : Reaksi termokimia; reaksi fiksasi CO2; reaksi termokimia dapat (bukan harus) berlangsung dalam gelap karena untuk fiksasi CO2 enzim-enzim stroma kloroplas tidak memerlukan cahaya tetapi membutuhkan ATP dan NADPH2 yang dihasilkan oleh reaksi fotokimia.
Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang ilmu pengetahuan alam utama, seperti fisika, kimia, maupun biologi sendiri. Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun. Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian stroma. Hasil fotosintesis (disebut fotosintat) biasanya dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.
Gambar : fotosintesis dan klorofil pada hijau daun
Gambar : tahapan- tahapan fotosintesis
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
Reaksi ini akan terjadi bila ada sinar. Selama tahap ini klorofil di dalam membrane grana. Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2, dengan kata lain mengubah energi kimia menjadi energi kimiawi. Reaksi ini memerlukan molekul air. Energi yang di tangkap oleh klorofil di gunakan untuk memecahkan molekul air (fotolisis) yang mana dapat di lihat pada persamaan:
2H2O + cahaya → O2 + 2H2
H2 yang di lepas akan di tampung oleh koenzim NADP. Dalam hal ini, NADP bertindak sebagai akseptor H2.bentuknya berupah menjadi NADPH2 dan O2 tetap dalam keadaan bebas.
Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna biru (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. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I. Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer, sedangkan fotosistem I 700 nanometer. Kedua fotosistem ini 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, membuatnya 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. Pendapat ini pertama kali diungkapkan oleh C.B. van Neil yang mempelajari bakteri fotosintetik pada tahun 1930-an. Bakteri fotosintetik, selain sianobakteri, menggunakan tidak menghasilkan oksigen karena menggunakan ionisasi sulfida atau hidrogen.
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
Fotofosforilasi dapat di bedakan antara fosforilasi siklik dan non-siklik. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah. Langkah berdasarkan gambar di bawah ini adalah aliran elektron nonsiklik
gambar: elekron menghasilkan ATP pada reaksi terang
Keterangan gambar
1. Ketika fotosistem II menyerap cahaya, suatu elektron yang di eksitasi ke tingkat energi yang tinggi dalam klorofil pusat reaksi (P680) di tangkap oleh akseptor elektron primer. Klorofil ysng di oksidasi sekarang menjadi agen pengoksidasi yang kuat , kekurangan elektronnya harus di isi
2. Suatu enzim mengeekstraksi elektron dari air dan mengirimkannya ke P680, menggantikan setiap eletronnya yang keluar dari molekul klorofil ketika molekul ini menyerap energi cahaya. Reaksi ini menguraikan molekul air menjadi 2 cahaya. Reaksi ini menguraikan molekul air menjadi 2 ion hdrogen atau satu atom hidrogen, yang segera begabung dengan atom oksigen lain membentuk O2. Ini merupakan langkah penguraian air pada fotosintesis yang melepaskan O2.
3. Setiap elektron terfotoeksitasi mengalir dari akseptor elektron primer fotosistem II ke fotosistem I melalui rantai transpor elektron yang berfungsi pada respirasi seluler. Rantai transpor elektron versi kloroplas terdiri dari dari satu pembawa elektron yang di sebut plastokinon (Pq), suatu kompleks yang terdiri dari 2 sitokrom (berkaitan erat dengan sitokron mitokondria), dan protein mengandung tembaga yang di sebut plastosianin (Pc)
4. Begitu elektron menuruni rantai tersebut, eksergoniknya jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah di pungut oleh membran tilakoid untuk mengikat ATP. Sintesis ATP ini di sebut dengan fotofosforilasi karena sintesis ini di gerakkan oleh energi cahaya. Secara khusus, sintesis ATP selama aliran non siklik di sebut dengan fotofosforilasi non siklik.seperti di ketahui bahwa fotofosforilasi adalah kemiosmosis, proses yang sama yang beroperasi pada respirasi. ATP yang di hasilkan oleh reaksi terang ini akan menyeiakan energi kimiawi untuk sintesis gula dalam siklus Calvin, tahap kedua dari fotosintesis
5. Apabila elektron mencapai dasar rantai transpor elektron, elektron ini mengisi lubang elektron di P700. molekul klorofil a dalam pusat reaksi fotosistem I. Lubang ini tercipta ketika energi cahaya menggerakan elktron dari P700 ke akseptor elektron primer fotosistem I
6. Akseptor elektron primer fotosistem I melewatkan elektron terfotoeksitasi ke rantai transpor elektron kedua yang menyalurkannya ke feredoksin (Fd), protein yang mengandung besi. Enzim yang di sebut NADP+ reduktase kemudian menyalurkan elektron dari Fd ke NADP +. Ini merupakan reaksi redoks yang menyimpan elektron berenergi tinggi dalam NADPH, molekul yang akan menyediakan tenaga pereduksi untuk sintesis gula dan siklus Calvin
Sedangkan pada airan siklik yang hanya menggunakan jalur fotosistem I tetapi tidak menggunakan fotosistem II. Jadi alirannya merupakan hubungan singkat elektron siklus kembali dari feredoksin (Fd) ke kompleks sitokrom dan dari sana berlanjut ke klorofil P700. tidak ada produksi NADPH dan tidak ada pelepasa oksigen. Akan tetapi aliran ini menhasilkan ATP. Ini di sebut dengan Fotofosforilasi siklik.
Blackman (1905) adalah seorang ahli membuktikan bahwa reduksi dari CO2 ke CHO berlangsung tanpa sinar. Sehingga reaksi gelap disebut pula sebagai reaksi blackman atau reduksi CO. Bila reaksi terang (Hill) dan reaksi gelap (blackman) digabung maka reaksinya sebagai berikut:
Hill:
2 H2O 2 NADP H2 + O2
Balckman:
CO2 + 2 NADP H2 + O2 2 NADP + H2 + CO + O + H2 + O2
Penggabungan :
2 H2O + CO CH2O + H2O + O2
Bila baris terakhir ini dikalikan 6 , maka kita akan memperoleh:
12 H2O + 6 CO2 (CH2O)6 + 6 H2 + 6 O2
'
Andrew dan Melvin Calvin (1950) dari universitas kalifornia mengemukakan fiksasi CO2pada proses foto sintesis / asimilasi C.
Gambar : reaksi gelap atau reaksi calvin
Reaksi gelap merupakan penyusutan CO2 oleh H2 yang dibawa oleh NADP tersebut. Dalam peristiwa ini , penyusutan CO2 tidak membutuhkan sinar , sehingga reaksi tersebut dinamakan reaksi gelap. ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu berbagai proses biokimia. 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).
No comments:
Post a Comment