Pengertian dan Proses Fotosintesis pada Tumbuhan – Reaksi fotosintesis dikenal sebagai mata rantai pembentukan senyawa makanan. Melalui reaksi inilah, aliran materi dan energi terjadi pada suatu ekosistem. Istilah fotosintesis diambil dari kata photon yang berarti cahaya dan synthesis yang artinya membuat. Fotosintesis berarti reaksi pembentukan yang dibantu oleh energi cahaya. Reaksi ini terdiri atas dua tahapan yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Reaksi fotosintesis pada umumnya dideskripsikan sebagai reaksi yang membutuhkan karbondioksida dan air untuk menghasilkan karbohidrat (glukosa). Melalui fotosintesislah aliran energi dari alam masuk dalam kehidupan organisme.
KLOROPLAS
Proses fotosintesis pada tumbuhan berlangsung di dalam organel kloroplas. Daun merupakan organ utama untuk fotosintesis. Hal ini karena sel – sel mesofil daun kaya akan kloroplas. Untuk mempelajari proses fotosintesis perlu juga mengetahui struktur kloroplas sebagai tempat fotosintesis. Kloroplas merupakan organel bermembran ganda (membran luar dan membran dalam) seperti pada mitokondria. Di dalam lumen kloroplas akan ditemukan sistem membran lainnya yang terdiri atas membran tilakoid dimana mengandung pigmen klorofil yang berperan sebagai penangkap cahaya. Di membran tilakoid inilah reaksi terang akan berlangsung. Tumpukan membran tilakoid akan membentuk granum (jamak: grana) yang akan dihubungkan dengan grana lainnya melalui lamella. Stroma merupakan cairan kloroplas yang mengandung banyak enzim – enzim fotosintesis. Reaksi gelap berlangsung di dalam stroma. kloroplas merupakan organel yang memiliki DNA berupa sirkular. DNA kloroplas berperan sebagai mengatur sintesis enzim – enzim fotosintesis dan perbanyakan organel itu sendiri.
PROSES FOTOSINTESIS
Keseluruhan proses fotosintesis berlangsung di dalam organel kloroplas yaitu plastida yang mengandung pigmen hijau (klorofil). Kloroplas terdapat paling banyak di sel – sel palisade kemudian sel – sel spons, dua jenis parenkim yang menyusun mesofil daun (disebut juga daging daun). Proses fotosintesis berlangsung dalam dua tahapan reaksi yaitu:
A. Reaksi Terang
Reaksi terang merupakan reaksi awal fotosintesis yang melibatkan cahaya (dependent reaction). Energi cahaya yang dipancarkan sumber cahaya akan ditangkap oleh perangkat penangkap cahaya untuk menghasilkan energi kimia yang akan digunakan untuk reaksi gelap. Reaksi terang berlangsung di membran tilakoid/granum dimana terdapat kompleks pigmen penangkap cahaya untuk melangsungkan reaksi terang.
1. Perangkat reaksi terang
Reaksi terang merupakan jalur utama yang membuat masuknya energi kehidupan. Energi yang dipancarkan sumber energi akan ditangkap untuk menghasilkan energi kimia. Ketika seberka cahaya dilewatkan pada sebuah prisma, maka cahaya akan terdispersi dalam seberkas warna mejikuhibiniu. Energi yang dimiliki oleh seberkas cahaya sangat ditentukan pada panjang gelombangnya. Caha memiliki panjang gelombang 400nm sampai 700nm. Cahaya merah merupakan spektrum cahaya yang memiliki panjang gelombang paling tiggi yaitu 700nm, sementara spektrum cahaya ungu memiliki panjang gelombang 400nm (paling rendah). Semakin tinggi panjang gelombang suatu cahaya maka semakin rendah energi yang dihasilkan. Begitu pula sebaliknya, semakin rendah panjang gelombang suatu berkas cahaya maka energi yang dihasilkan akan semakin tinggi. Hubungan ini dapat dibuktikan dengan postulat Planck, yaitu E=h x 1/λ. Reaksi terang memiliki kompleks penangkap cahaya yang disebut kompleks antenna. Tiap kompleks antena tersusun atas pusat reaksi, pigmen antena, protein membran, akseptor elektron. Pusat reaksi adalah pigmen klorofil a yang berperan sebagai pusat penerima energi cahaya yang ditangkap oleh pigmen antena. Tiap kompleks antena terdiri atas satu pusat reaksi yang dapat dikelilingi oleh ratusan (250 -350) pigmen antena yang terdiri atas pigmen klorofil b, karetenoid, dan pigmen lainnya. Pusat reaksi pada kompleks dibedakan menjadi dua berdasarkan panjang gelombang yang diserapnya:
a. Fotosistem I
Fotosistem I memiliki pusat reaksi klorofil yang aktif menerima panjang gelombang cahaya sebesar 700nm. Sehingga fotosistem 1 dikenal dengan P700. Fotosistem ini merupakan pusat reaksi utama yang terlibat dalam rangkaian aliran elektron pembentukkan energi.
b. Fotosistem II
Pusat reaksi lainnya aktif menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680nm, sehingga disebut P680.
2. Proses Reaksi Terang
Proses reaksi terang dimulai ketika energi cahaya mengenai pusat reaksi dan menyebabkan aliran elektron pada perangkat penerima cahaya (kompleks antenna). Pada reaksi terang akan dihasilkan sejumlah energi yang akan digunakan pada reaksi gelap. ATP adalah senyawa kimia berenergi tinggi, yang terbentuk pada reaksi terang melalui aliran elektron. Pembentukan ATP pada reaksi terang melibatkan cahaya sehingga disebut fotofosforilasi. Ada dua jalur reaksi fotofosforilasi pada reaksi terang, yaitu:
[sc:ads]
a. Fotofosforilasi Nonsiklik (FFNS) / Fotofosforilasi Linear
Jalur FFNS melibatkan fotosistem I dan II. Ketika cahaya mengenai pusat reaksi pada fotosistem II (P680), energi tinggi dari cahaya membuat dua elektron pada pusat reaksi akan tereksitasi ke tempat yang lebih tinggi. Sehingga akan terjadi kelabilan pada struktur aton di pusat reaksi. Kekosongan elektron pada pusat reaksi akan ditutupi oleh elektron hasil pemecahan (fotolisis) air. Molekul air akan dihidrolisis menjadi ion hidrogen, oksigen, dan elektron. Elektron hasil pemecahan ini akan digunakan untuk mengisi kekosongan elektron pada P680. Sementara ion hidrogen akan disimpan di membran tilakoid dan oksigen akan dibebaskan ke udara. Reaksi pemecahan air ini dikenal dengan reaksi Hills.
Elektron dari P680 yang tereksitasi sebelumnya akan dialiran ke akseptor elektron pada kompleks protein di membran tilakoid. Dari aliran elektron ini akan dihasilkan senyawa ATP yang berenergi tinggi. disisi lain, P700 juga menerima energi cahaya yang sama dengan P680. Fotoeksitasi elektron pada P700 juga membuat ketidakstabilan pada P700. Aliran elektron dari P680 sebelumnya akan digunakan untuk menutup kekosongan elektron pada P700 ini. Sementara elektron P700 yang tereksitasi akan dialirkan pada komplek protein membran yang mengandung akseptor elektron lain. NADP merupakan akseptor elektron terakhir yang akan menerima elektron dari aliran P700. Dengan ion hidrogen hasil pemecahan air sebelumnya, senyawa NADPH terbentuk sebagai produk akhir dari jalur FFNS.
Rangkuman dari perjalanan elektron pada jalur FFNS ialah mulai fotolisis membebaskan oksigen, elektron berlanjut ke P680 (FII) menghasilkan ATP dan berakhir ke P700 (FI) dengan menghasilkan molekul NADPH.
b. Fotofosforilasi siklik (FFS)
Berbeda dengan jalur FFNS, jalur FFNS hanya melibatkan P700 (FI). Aliran elektron pada jalur ini bersifat siklik yaitu kembali ke posisi semula. Ketika energi cahaya diserap pada P700 membuat elektron pada pusat reaksi tereksitasi. pada jalur ini tidak terjadi fotolisis air. Dengan demikian, elektron yang eksitasi ini akan dikembalikan ke pusat reaksi dengan berputar melewati kompleks protein membran. Pada aliran balik inilah senyawa ATP akan dihasilkan. Jalur ini merupakan jalur yang hanya menghasilkan ATP. Hal ini dikarenakan jumlah pemakaian ATP pada reaksi gelap akan lebih banyak dibanding NADPH2.
B. Reaksi Gelap
Disebut reaksi gelap karena pada reaksi ini tidak melibatkan cahaya. Reaksi gelap disebut juga siklus calvin yang merupakan reaksi memanen makanan berupa siklus. Reaksi gelap berlangsung di cairan kloroplas, stroma yang mengandung beragam enzim fotosintesis. Reaksi gelap melibatkan senyawa karbondioksida dari udara dan memerlukan energi (ATP dan NADPH2) yang terbentuk dari reaksi terang untuk rangkaian reaksi calvin. Reaksi gelap terjadi melalui tiga tahapan:
1. Fiksasi
Enam molekul karbondioksida akan diikat oleh enam molekul ribolusa 1,6-biphosphat (RUBP) membentuk enam molekul senyawa berkarbon enam (karbondioksida berkarbon satu ditambah RUBP senyawa berkarbon lima). Reaksi ini dikatalisis oleh enzim rubisco. Senyawa berkarbon enam yang dihasilkan bersifat labil dan secara cepat dipecah menjadi senyawa berkarbon tiga yaitu asam 3-phosphogliserat (PGA) sebanyak 12 mol.
2. Reduksi
Tahapan selanjutnya ialah reduksi PGA. pertama, 12 mol PGA akan direduksi menjadi 12 mol asam 1,3-diphosphogliserat (DPGA), yang mendapat tambahan gugus phosphat dari pemecahan 12 mol ATP (hasil reaksi terang). Reduksi berlanjut dengan pengubahan 12 mol DPGA menjadi 12 mol phosphogliseraldehid (PGAL). pada reaksi kedua melibatkan 12 mol NADPH2 sebagai donor elektron (hidrogen).
3. Regenerasi
12 mol PGAL kemudian akan dibagi untuk menjalani dua reaksi, 10 mol PGAL digunakan untuk regenerasi RUBP. Pada reaksi pembentukan kembali RUBP ini akan dibutuhkan ATP sebanyak 6 molekul. Sementara 2 mol PGAL sisanya akan digunakan untuk sintesis glukosa yang merupakan inti dari reaksi fotosintesis.
