Metabolisme Fotosintesis Cahaya Matahari, Pigmen Fotosintesis Dan Fotosistem (Reaksi Gelap Terang)
Metabolisme Fotosintesis Cahaya Matahari, Pigmen Fotosintesis Dan Fotosistem (Reaksi Gelap Terang) - Fotosintesis berasal dari kata foton yang berarti cahaya dan sintesis yang artinya menyusun. Jadi, fotosintesis artinya proses penyusunan pada bagian tumbuhan yang mengandung klorofil dengan bantuan cahaya matahari. Perangkat fotosintesis lainya terdiri atas klorofil a, klorofil b, karotenoid (karoten dan xantofil), dan akseptor elektron yang tergabung dalam suatu sistem yang disebut fotosistem.
Fotosintesis akan membentuk gula (glukosa) dari bahan baku karbondioksida dan air dengan bantuan sinar matahari dan butir klorofil. Reaksi kimia fotosintesis berlangsung sebagai berikut :
1.Cahaya Matahari
Cahaya matahari terdiri atas beberapa spektrum, yaitu inframerah, jingga, kuning, biru, nila, ungu dan ultraungu. Masing - masing spektrum mempunyai panjang gelombang berbeda, sehingga pengaruhnya terhadap proses fotosintesis juga berbeda.
Dalam fotosintesis, senyawa karbohidrat dan senyawa sampingan berupa oksigen yang dihasilkan akan dilepaskan ke udara. Oksigen inilah salah satu hasil sampingan fotosintesis yang volumenya dapat diukur. Oleh sebab itu, tingkat produksi fotosintesis dapat diketahui dengan mengukur volume oksigen yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan.
Untuk membuktikan bahwa dalam fotosintesis diperlukan energi cahaya matahari, dapat dilakukan percobaan Ingenhouz.
Untuk membuktikan bahwa setiap spektrum sinar matahari yang mempunyai panjang gelombang berbeda mempunyai pengaruh terhadap proses fotosintesis berbeda, dapat dilakukan dengan cara memodifikasi perangkat percobaan Ingenhouz, yaitu dengan menutup masing - masing perangkat dengan kertas yang berbeda warnanya. Dengan mengetahui volume oksigen yang dihasilkan, spektrum mana yang paling besar pengaruhnya terhadap proses fotosintesis dapat ditentukan.
2. Pigmen fotosintesis
Daun memiliki mesofil atau daging daun yang terdiri atas jaringan bunga karang dan jaringan pagar. Pada kedua jaringan tersebut, sel - selnya mengandung kloroplas atau organel yang mengandung pigmen klorofil. Pigmen ini merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari.
Kloroplas
Semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau, termasuk batang dan buah yang belum matang mempunyai kloroplas. Terdapat sekitar setengah juta kloroplas permilimeter persegi daun.
Kloroplas pada tumbuhan tinggi, mempunyai bentuk seperti cakram dengan ruang yang disebut stroma. Stroma dibungkus oleh dua lapisan membran. Membran stroma disebut tilakoid dengan lamela - lamela yang bertumpuk - tumpuk membentuk grana (tunggal : granum).
Stroma berisi protein, enzim, DNA, RNA gula fosfat, ribosom, vitamin - vitamin, serta ion - ion logam seperti mangan (Mn), besi (Fe) dan perak (Cu). Bila sebuah granum disayat maka akan dijumpai adanya protein, klorofil a, klorofil b, karotenoid, dan lipid atau lemak.
Stroma berisi protein, enzim, DNA, RNA gula fosfat, ribosom, vitamin - vitamin, serta ion - ion logam seperti mangan (Mn), besi (Fe) dan perak (Cu). Bila sebuah granum disayat maka akan dijumpai adanya protein, klorofil a, klorofil b, karotenoid, dan lipid atau lemak.
Pigmen fotosintetik terdapat pada membran tilakoid. Pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid. Produk akhir yang berupa glukosa dibentuk didalam stroma. Untuk mengenali struktur kloroplas.
3. Fotosistem
Fotosistem adakah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari yang terdiri atas klorofil a, kompleks antena dan akseptor elektron.
Kloroplas memiliki 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. Pigmen - pigmen tersebut mengelompok dalam membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang dikenal dengan kompleks antena.
Fotosistem dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem II
Fotosistem I
Pada fotosistem ini, penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap cahaya engan panjang gelombang 700nm, sehingga klorofil a disebut P700. Energi yang diperoleh
P700 ditransfer dari kompleks antena.
Fotosistem II
Pada fotosistem II, penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap panjang gelombang 680 nm, sehingga disebut P680. P680 yang teroksidasi merupakan agen pengoksidasi yang lebih kuat daripada P700. Dengan potensial redoks yang lebih besar, elektron negatif akan cukup untuk memperoleh elektron dari molekul - molekul lain.
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 proses fotosintesis.
Reaksi terang menggunakan energi cahaya, berlangsung didalam membran tilakoid dan klorofil, menghasilkan senyawa ATP dan NADPH. Kedua senyawa yang dihasilkan dalam reaksi terang ini akan digunakan dalam reaksi gelap. Reaksi gelap berlangsung didalam stroma dari kloroplas dan menghasilkan glukosa.
Dari hasil penelitian Van Niel, menyatakan bahwa fotosintesis berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama merupakan reaksi fotokimia atau reaksi terang dan tahap kedua merupakan reaksi termokimia atau reaksi gelap.
a. Reaksi Terang
Reaksi fotokimia atau reaksi terang membutuhkan energi cahaya matahari. Pada reaksi terang terjadi dua langkah reaksi, yaitu reaksi fotolisis dan reaksi fosforilasi.
Pada reaksi fotolisis, terjadi reaksi penguraian air dengan bantuan cahaya menjadi hirdogen dan hidroksida. Elektron yang terbentuk akan masuk kedalam reaksi fosforilasi. Rekasi fosforilasi berjalan dalam dua tahap, yaitu' fosforilasi sklik' dan 'fosforilasi nonsiklik'. Secara sederhana, reaksi fotolisis adalah sebagai berikut.
Fosforilasi Siklik
Fosforilasi siklik hanya terjadi pada fotosistem I, yaitu dimulai dari P700 dan kembali ke P700. Elektron yang dilepaskan P700 akan pindah dari akseptor yang satu ke akseptor lainya. Selama perpindahan elektron dari akseptor satu ke akseptor lain, selalu terjadi transformasi hidrogen bersama - sama elektron.
Dalam rangkaian transpor elektron, ATP dihasilkan. Produksi ATP ini sebagai proses fosforilasi, sebab dalam pembentukanya melalui reaksi penambahan gugusan fosfat pada senyawa ADP diatur oleh cahaya. Pembentukan ATP disebut juga sebagai fosforilasi siklik karena terbentuk pada transfer elektron rute siklik. Di dalam fotosintesis, ATP digunakan sebagai sumber energi pembentukan glukosa.
Fosforilasi nonsiklik
Fosforilasi nonsiklik bermula dari P700. Elektron yang dilepaskan P700 ditingkatkan sedemikian rupa sehingga dapat mereduksi akseptor elektron. Selanjutnya, elektron disumbangkan kepada suatu protein yang berisikan besi yang disebut feredoksin.
Selanjutnya, feredoksin menyumbangkan elektronya kepada NADP+. NADP+ mereduksi dan membentuk NADPH. Jadi, NADPH merupakan senyawa yang terbentuk pada transportasi elektron nonsiklik.
P700 yang kehilangan elektron menjadi molekul dalam keadaan teroksidasi sehingga mampu menyedot elektron berenergi tinggi P680 yang sudah menyerap energi cahaya. Elektron tersebut selanjutnya akan mengikuti rute yang ditempuh elektron siklik, tetapi tidak kembali ke P700.
Pada saat elektron kehilangan energinya, ion H akan mengalir melalui membran tilakoid dan mendorong terbentuknya ATP secara fotofosforilasi nonsiklik.
b. Reaksi Gelap
Baik ATP maupun NADPH yang terbentuk ada fase terang, merupakan sumber energi yang diperlukan pada reaksi gelap. Pembentukan glukosa memerlukan ATP sebagai sumber energi reaksi - reaksi endergonik NADPH dan sebagai sumber elektron berenergi.
Siklus zat pada reaksi gelap ini ditemukan oleh Melvin Calvin dan Andrew Benson sehingga sering disebut siklus Calvin-Benson.
Siklus Calvin-Benson dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu sebagai berikut:
1. Fase fiksasi, yaitu fiksasi karbondioksida dari udara oleh senyawa karbon beratom C5 yang dikenal dengan ribulose bifosfat atau RuBP. Hasil reaksi fiksasi karbondioksida oleh RuBP adalah senyawa beratom C6 yang tidak stabil dan akan segera pecah menjadi dua senyawa beratom C3 yang dikenal dengan asam fosfogliserat atau APG. Sumber fosfatnya adalah ATP.
2. Fase reduksi yaitu pemakaian H dari NADPH untuk mereduksi senyawa antara dalam pembentukan zat makanan (glukosa). Senyawa tersebut beratom C3, dikenal dengan fosfogliseraldehid atau PGAL. Selanjutnya, dua molekul PGAL akan membentuk satu molekul glukosa.
3. Fase regenerasi, yaitu terbentuknya kembali RuBP untuk melanjutkan fungsinya sebagai fiksator karbon.
Jadi, reaksi gelap menghasilkan glukosa dan RuBP kembali. Secara sederhana, proses fotosintesis dapat diringkas seperti pada tabel.
Faktor yang mempengaruhi fotosintesis, antara lain faktor cahaya, konsentrasi CO2, gas – gas pencemar udara, dan mineral.
a. Faktor cahaya, termasuk didalamnya intensitas (suhu ideal 28 derajat - 30 derajat celcius) lama penyinaran dan panjang gelombang, gelombang cahaya biru dapat mempercepat fotosintesis dibanding cahaya merah.
b. Konsentrasi karbon, tekanan parsial karbon lebih dari 1,0 Kpa dapat merusak klorofil.
c. Pencemaran udara seperti gas – gas SO2, ozon, NO2, PAN (Peroxyacetylnitrate), dapat merusak klorofil (klorosis, nekrosis, dan lain – lain).
d. Kandungan mineral yang berhubungan dengan proses pembentukan klorofil (Mg, Fe dan N).
Hubungan Fotosintesis dengan Respirasi Sel
Hubungan antara fotosintesis dengan respirasi sel merupakan dua reaksi yang saling melengkapi. Hasil proses yang satu akan menyediakan sumber energi untuk menunjang proses yang lainya. Sumber energi tersebut akan berupa ATP. Secara sederhana, hubungan antara respirasi sel dengan fotosintesis.
Kegiatan respirasi tumbuhan berlangsung sepanjang hari, baik siang, sore, petang, malam, pagi dan seterusnya. Kegiatan respirasi tumbuhan dinyatakan dengan volume oksigen yang diambil atau volume CO yang dibebaskan dalam 24 jam per gram berat kering tumbuhan.
Pada siang hari, tumbuhan melakukan fotosintesis dan juga melakukan respirasi. Proses fotosintesis memerlukan karbon dan membebaskan oksigen. Sebaliknnya, respirasi memerlukan oksigen dan membebaskan oksigen karbon.
Banyak sedikitnya zat yang diambil ataupun dilepaskan bergantung kepada aktivitasnya. Pada suatu saat, secara teoritis volume karbon yang dilepaskan , dalam proses respirasi sama dengan volume karbon yang diperlukan oleh proses fotosintesis. Atau sebaliknya, volume oksigen yang dilepaskan oleh proses fotosintesis sama dengan volume oksigen yang diperlukan oleh proses pernapasan.
Dengan kata lain, tumbuhan yang bersangkutan dalam keadaan statis. Hal ini dapat terjadi pada suatu intensitas cahaya tertentu dengan keadaan yang berbeda untuk setiap jenis tumbuhan. Intensitas cahaya, di mana aktivitas fotosintesis sama dengan aktivitas respirasi disebut titik kompensasi.
Demikian Metabolisme Fotosintesis Cahaya Matahari, Pigmen Fotosintesis Dan Fotosistem (Reaksi Gelap Terang) Semoga bermanfaat.