Proses Fotosintesis pada Tumbuhan

Credit: wikipedia(dot)org (modifikasi)

Fotosintesis adalah proses di mana sel-sel menggunakan energi radiasi dari sinar matahari untuk mensintesis menghasilkan senyawa kimia (seperti karbohidrat) dari sumber karbon anorganik sederhana. Semua organisme membutuhkan senyawa organik untuk membentuk protein, karbohidrat, asam nukleat, dan lipid – yang merupakan komponen biomolekul dari sel, membran, dan organelnya. Sementara semua organisme heterotrofik seperti hewan, jamur, beberapa protista, dan beberapa bakteri harus memenuhi kebutuhan nutrisi dan energi mereka menggunakan sumber eksternal senyawa organik, organisme autotrofik memiliki kemampuan untuk menghasilkan molekul organik menggunakan karbon dioksida (CO2) sebagai sumber karbon utama mereka. Konversi senyawa karbon anorganik menjadi senyawa organik memerlukan banyak energi.

Organisme fotoautotrof memiliki pigmen khusus yang mampu mengumpulkan energi dari sumber cahaya dan mengubahnya menjadi bentuk energi kimia yang akan digunakan organisme tersebut untuk mensintesis senyawa karbon dari CO2 yang diambil dari atmosfer. Tumbuhan, alga, dan berbagai jenis bakteri mampu melakukan fotosintesis, oleh karena itu organisme-organisme ini merupakan organisme yang menjadi dasar dari rantai makanan. Mereka berperan sebagai produsen yang menjadi sumber makanan organisme lain yang tidak mampu mengolah senyawa anorganik menjadi senyawa organik. Fotosintesis menghasilkan sekitar 160 miliar metrik ton karbohidrat setiap tahunnya, fotosintesis juga menghasilkan oksigen di atmosfer kita yang berguna untuk mendukung kehidupan aerobik di bumi.

Proses fotosintesis terdiri dari dua tahap utama. Tahap pertama meliputi reaksi yang bergantung pada cahaya (reaksi terang), di mana elektron menyerap energi cahaya dari matahari. Sedangkan pada tahap kedua, yaitu reaksi yang tidak bergantung pada cahaya (reaksi gelap), sel menggunakan elektron berenergi tinggi untuk membentuk ikatan kovalen antara atom karbon, membangun karbohidrat sederhana (CH₂O)n. Air (H₂O) berfungsi sebagai sumber asli dari elektron energi rendah; sementara molekul oksigen (O₂), suatu senyawa yang sangat penting bagi banyak kehidupan organisme malah merupakan produk limbah dari proses fotosintesis. Proses keseluruhan ini dapat diringkas menjadi sebagai berikut:

cahaya

CO2 + H2O →→→ (CH2O) + O2

Dengan demikian, kita mengetahui bahwa fotosintesis melakukan proses yang berkebalikan dari proses respirasi sel, yaitu proses pemecahan senyawa organik yang dibantu dengan kehadiran O2, serta menghasilkan H2O dan CO2 sebagai produk limbahnya.

Reaksi Terang

Pada sel eukariotik, fotosintesis terjadi di organel yang disebut kloroplas. Sebuah membran ganda membungkus kloroplas, dengan membran bagian luar yang mengandung pori-pori yang memungkinkan untuk lewatnya molekul tertentu serta membran bagian dalam yang relatif kedap air. Stroma, ruang yang dibatasi oleh membran ganda ini mengandung tilakoid - kantung pipih yang tersusun dalam struktur yang disebut grana yang bentuknya menyerupai tumpukan pancake.

Sistem membran tilakoid mengandung pigmen, yaitu molekul berwarna yang menyerap cahaya dari panjang gelombang tertentu. Klorofil menyerap cahaya dengan karakteristik panjang gelombang cahaya violet-biru dan merah, yaitu cahaya yang akan memantulkan cahaya hijau – itulah kenapa kebanyakan tanaman dan ganggang (alga) tampak hijau. Jenis lain dari pigmen, seperti karotenoid, menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda; pigmen ini memberikan warna merah, kuning, ataupun oranye pada beberapa tanaman dan alga.

Pigmen klorofil bekerja sama dengan molekul lain dalam pengaturan yang disebut fotosistem yang tertanam dalam membran tilakoid. Ketika cahaya mengenai molekul klorofil, pigmen klorofil akan menyerap foton yang merupakan paket energi radiasi lalu memasuki keadaan tereksitasi. Pigmen yang tereksitasi ini kemudian mentransfer energi ke serangkaian pigmen lain dan akhirnya ke pusat reaksi yang berisi akseptor elektron primer. Ketika energi cahaya mencapai pusat reaksi, ia akan meningkatkan elektron dari molekul khusus klorofil dekat akseptor elektron primer ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Semua molekul klorofil kemudian kembali ke fase istirahat mereka, sementara elektron yang tereksitasi ini berlanjut untuk mendorong terjadinya sintesis nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADPH) dan adenosin trifosfat (ATP). Dua jenis fotosistem bekerja sama dalam reaksi terang: fotosistem I (PS I) dan fotosistem II (PS II). Molekul klorofil keduanya memiliki jenis yang sama, klorofil a, namun molekul yang berbeda di sekitar mereka mempengaruhi distribusi elektron mereka sehingga memberi mereka sifat yang sedikit berbeda satu sama lain. PS I menyerap cahaya dengan panjang gelombang 700 nanometer dan PS II menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer.

Jalur dari sebuah elektron yang tereksitasi dapat berupa non-siklik atau siklik. Aliran elektron non-siklik lebih umum dan dimulai ketika akseptor elektron primer menangkap sebuah elektron tereksitasi dari molekul klorofil a dari PS II. Enzim lalu memotong molekul H2O menjadi satu atom oksigen (O), dua ion hidrogen (H+), dan dua elektron (e-). Atom oksigen ini kemudian bergabung dengan atom oksigen yang telah dibebaskan dari molekul air lain untuk membentuk O2 yang merupakan produk limbah dari reaksi terang. Elektron dari molekul air menggantikan elektron yang hilang dari klorofil PS II. Sementara itu, elektron yang asli telah menuju ke rantai transpor elektron, dari satu akseptor elektron ke akseptor elektron lain pada tingkat energi yang lebih rendah.

Molekul yang membawa elektron dari PS II termasuk di antaranya plastoquinone, kompleks sitokrom, dan plastocyanin. Elektron akhirnya mencapai molekul klorofil PS I yang telah kehilangan elektron ketika ia menangkap foton cahaya. Elektron tereksitasi dari PS I juga membuat jalan menuruni rantai transpor elektron yang mencakup elektron pembawa protein, ferredoksin. Pada akhir rantai kedua ini, enzim nADP+ reduktase mentransfer dua elektron ke nADP+ sehingga menghasilkan bentuk NADPH dan berhasil mencapai salah satu tujuan dari reaksi terang.

Reaksi terang juga memproduksi ATP. Saat elektron jatuh dan menurunkan tingkat energi secara terus-menerus, energi yang dilepaskan digunakan untuk mengangkut H+, yaitu proton yang dilepaskan dari pemisahan H2O. Proton H+ ini diangkut dari stroma kloroplas melintasi membran tilakoid ke dalam ruang tilakoid. Dalam proses yang disebut kemiosmosis, kekuatan gradien transportasi H+ kembali melintasi membran dalam stroma melalui saluran yang memiliki aktivitas sintesis ATP. Saat H+ berdifusi kembali melintasi membran, sintase ATP akan menempelkan fosfat anorganik pada molekul adenosin difosfat (ADP) untuk menghasilkan ATP.

Aliran elektron non-siklik menghasilkan jumlah molar yang sama dari NADPH dan ATP, tetapi reaksi terang memanfaatkan lebih banyak ATP daripada NADPH. Aliran elektron siklik akan mengkompensasi permintaan ATP tambahan ini. Dengan merute ulang lalu lintas elektron dari PS I kembali ke kompleks sitokrom yang terletak di antara PS II dan PS I, NADH reduktase dalam prosesnya tidak pernah mendapatkan akses ke elektron. Namun, pengangkutan elektron melalui jalur siklik ini masih memungkinkan untuk gradien yang akan dibuat, sehingga mendorong produksi ATP oleh kemiosmosis.

Reaksi Terang pada Fotosintesis
Credit: wikipedia(dot)org (modifikasi)

Organisme prokariotik fotosintetik memiliki beberapa perbedaan kecil dalam reaksi terang mereka. Cyanobacteria, bakteri belerang hijau dan ungu, dan bakteri nonsulfur hijau dan ungu semuanya mampu melakukan fotosintesis, Tetapi sebagai sel prokariotik, mereka tidak memiliki kloroplas atau organel membran-terikat lainnya; fotosintesis mereka berlangsung dalam sistem membran internal yang dibentuk oleh invaginasi luas dari membran sel. Hal ini meningkatkan area tempat pigmen fotosintesis dan rantai transpor elektron berada. Sistem membran internal dapat terdiri dari vesikel, membran tubular, atau lamellae (membrane lapisan yang tipis dan datar).

Bakteri sulfur hijau dan bakteri nonsulfur hijau memiliki kromosom, struktur berbentuk elips yang sebagian besar terdiri dari pigmen pemanen cahaya yang dikelilingi oleh lipid lapis tunggal. Dua jenis fotosintesis terjadi pada prokariot, oksigenik dan anoksigenik. Cyanobacteria melakukan fotosintesis oksigenik di mana air berfungsi sebagai donor elektron dan klorofil a serta fikobiliproteins (jenis yang unik pigmen yang menempel pada protein) memanen energi dari cahaya. Bakteri fotosintetik lain sisanya melakukan jenis fotosintesis anoksigenik; mereka memanfaatkan senyawa selain air (seperti hidrogen sulfida, sulfur, hidrogen, atau molekul organik tertentu) sebagai donor elektron dan oleh karena itu mereka tidak menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan. Bakteri fotosintetik anoksigenik utamanya lebih memanfaatkan bakterioklorofil daripada klorofil.

Reaksi Gelap

Pada reaksi terang, kloroplas menangkap energi dari sinar matahari, transpor elektron memindahkan elektron berenergi rendah dari air ke keadaan energi potensial yang lebih tinggi di NADPH, kemiosmosis mensintesis ATP, dan O2 diproduksi sebagai produk limbah. Pada tahap selanjutnya ada proses yang dinamakan reaksi gelap; walaupun disebut reaksi gelap, mereka dapat terjadi dengan ada atau tidak adanya cahaya. Reaksi ini terjadi pada stroma dari kloroplas. Selama reaksi gelap, kloroplas menggunakan energi kimia yang dibuat oleh reaksi terang untuk mensintesis gula dari CO2. Penggabungan karbon dari sumber anorganik (CO2) menjadi molekul organik (seperti gula) disebut fiksasi karbon, proses ini membutuhkan banyak energi.

Enzim seluler dapat dengan mudah mengakses energi kimia yang tersimpan dalam ATP dengan menghidrolisis ikatan energi tinggi yang menghubungkan kelompok fosfat terakhir dengan kelompok fosfat yang berdekatan. Proses pemecahan ikatan ini melepaskan energi yang dapat segera dimanfaatkan untuk kebutuhan seluler lainnya. Energi yang tersimpan dalam NADPH dan pembawa elektron lainnya berada pada kondisi potensi terjadi pengurangan (reduksi) molekul. Proses reduksi akan menambah elektron, sementara oksidasi menghilangkan elektron. Proses ini selalu disertai oleh satu sama lain - elektron bergerak dari satu molekul (donor teroksidasi saat ia kehilangan elektron) ke molekul lain (akseptor mendapatkan elektron).

Saat membawa elektron, NADPH memiliki kemampuan untuk mengurangi molekul lain, maka dari itu ia memiliki elektron berenergi tinggi yang tersedia untuk disumbangkan ke molekul lain. Elektron energi tinggi berkontribusi pada akseptor elektron yang berpartisipasi dalam ikatan kimia yang menyimpan energi hingga proses katabolik memecah ikatan yang baru terbentuk. Molekul organik, seperti glukosa, dikurangi senyawa karbonnya yang menyimpan energi untuk sel untuk mendapatkan energi. Ketika sel membutuhkan ATP, molekul organik yang teroksidasi akan menerima elektron, sementara energi yang dilepaskan digunakan untuk menghasilkan ATP.

Siklus Calvin
Credit: wikipedia(dot)org (modifikasi)

Siklus pentosa fosfat reduktif atau yang lebih dikenal sebagai siklus Calvin, adalah jalur siklik biokimia yang menghasilkan produksi karbohidrat tiga karbon, gliseraldehida 3-fosfat. Siklus ini meregenerasi semua intermediet lain tetapi mengkonsumsi tiga molekul CO2, enam molekul NADPH, dan sembilan molekul ATP untuk setiap molekul gliseraldehida 3-fosfat yang dihasilkan. Tiga tahap utama siklus Calvin meliputi fiksasi karbon, reduksi, dan regenerasi ribulosa bifosfat.

Siklus Calvin dimulai ketika enzim ribulosa bifosfat karboksilase (Rubisco) menambahkan satu molekul CO2 ke gula lima karbon, ribulosa bifosfat (RuBP), lalu membentuk gula enam karbon yang cepat terdegradasi menjadi dua molekul 3-fosfogliserat. Fiksasi dari tiga molekul CO2 berturut-turut menghasilkan pembentukan enam molekul tiga karbon, pengurangan utama yang mengarah pada penciptaan satu molekul tiga karbon dari gliseraldehida 3-fosfat. Lima molekul tiga karbon ini terus bersiklus dan berpartisipasi dalam regenerasi RuBP, di mana lebih banyak CO2 yang ditambahkan.

Setelah karbon menetap, atau dimasukkan ke dalam senyawa organik gliseraldehida 3-fosfat, enzim lain mengubahnya menjadi glukosa dan senyawa organik lainnya. Proses mentransfer energi dari sinar matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam senyawa organik sekarang telah lengkap. Sel dapat menggunakan senyawa organik sebagai bahan bakar yang dapat dibakar yang diperlukan untuk menghasilkan ATP atau sebagai komponen struktural untuk membangun bagian-bagian sel baru selama pertumbuhan.

Referensi:

Cullen, Katherine E. (2009). Encyclopedia of Life Science. New York: Facts On File, Inc.

PULSA GRATIS!!!

Kamu punya blog atau punya akses untuk mengelola blog milik instansi tertentu (dinas, puskesmas, RS, universitas, dll)?
dan kamu mau PULSA GRATIS?

Buat artikel yang terkait dg artikel ini atau artikel lain di blog ini, lalu cantumkan URL artikelnya pada artikel kamu sebagai tambahan bacaan. Artikelnya gak perlu panjang-panjang kok, minimal 200 kata sudah boleh. Kalo kamu ada artikel lama yang tinggal diedit untuk ditambahkan URL artikel kami, itu lebih bagus lagi ^_^

Setelah kamu ada artikelnya, beritahu kami dengan cara kirim pesan kepada kami langsung dari menu "Hubungi kami" yang berisi nama kamu, nomor HP, dan URL artikel yang kamu buat.

Kami akan menyeleksi peserta yang memenuhi syarat lalu secara acak akan memilih peserta yang beruntung setiap bulannya untuk mendapatkan pulsa gratis sebesar Rp 20.000,-

Yuk, ikutan! kapan lagi bisa dapat pulsa gratis dengan mudah, hehe :D

Untuk mengirim pesan dan jika ada pertanyaan, hubungi kami disini >> http://www.sainsphd.com/p/hubungi-kami.html

Title : Proses Fotosintesis pada Tumbuhan
URL : http://sains-phd.blogspot.com/2016/03/proses-fotosintesis-pada-tumbuhan.html

Sains Ph.D

Proses Fotosintesis pada Tumbuhan