MAKALAH REAKSI TERANG FOTOSINTESIS

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  LATAR BELAKANG

Fotosintesis sudah akrab kita dengar. Pada dasarnya, fotosintesis merupakan proses penyusunan karbohidrat atau zat gula dengan menggunakan energi matahari. Matahari sebagai sumber energi utama bagi kehidupan di Bumi. Namun tidak semua organisma mampu secara langsung menggunakannya. Hanya golongan tumbuhan dan beberapa jenis bakteri saja yang mampu menyerap energi matahari dan memanfaatkannya untuk fotosinrtesis. Melalui fotosintesis, tumbuhan menyusun zat makanan yaitu karbohidrat (pati / gula). Karena kemampuan menyusun makanannya sendiri inilah, tumbuhan disebut organisma ototrof.

1.1  TUJUAN DAN MANFAAT

1.1.1        TUJUAN

Untuk mengetahui bagaimana proses terjadinya reaksi terang

1.1.2        MANFAAT

Agar mahasiswa dapat memahami secara detail mengenai proses terjadinya reaksi terang beserta tahap-tahapan terjadinya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Definisi dan Sejarah Fotosintesis

Fotosintesis pada hakikatnya merupakan satu-satunya mekanisme masuknya energi ke dalam dunia kehidupan. Satu-satunya kekecualian terjadi pada bakteri kemosintetik, yang memperoleh energi dengan mengoksidasi subtrat anorganik seperti ion besi dan belerang terlarut dari kerak bumi, atau mengoksidasi H2S yang berasal dari kegiatan gunung berapi. Selain itu arus panas di dasar lautan memaksakan energi ke sistem biologi dalam bentuk bahang.

Sebagaimana reaksi oksidasi penghasil energi, yaitu tempat bergantungnya semua kehidupan, fotosintesis meliputi reaksi oksidasi dan reduksi. Proses keseluruhan adalah oksidasi air (pemindahan elektron disertai pelepasan oksigen sebagai hasil samping) dan reduksi CO­2 untuk membentuk senyawa organic, misalnya karbohidrat. Selama proses pembakaran dan respirasi, elektron dilepaskan dari senyawa karbon dan diluncurkan ke bawah (istilah energi), dan kemudian elektron tersebut dan H+ bergabung dengan penerima elektron kuat, O2, untuk menghasilkan H2O yang mantap. Dengan cara ini, fotosintesis menggunakan energi cahaya untuk mengangkut elektron “ke atas”, menjauhi H2O, menuju penerima elektron yang lebih lemah, CO2.

Fotosintesis meliputi reaksi reduksi dan oksidasi.Proses keseluruhan adalah oksidasi air ( pemindahan elektron disertai pelepasan O2 sebagai hasil samping ) dan reduksi CO2 untuk membentuk senyawa organik, misalnya karbohidrat. Foto berarti cahaya dan sintesis berarti membuat. Fotosintesis merupakan proses pembentukan bahan organik dari bahan anorganik ( CO2, H2O, H2S ) dengan bantuan  cahaya matahari dan klorofil

                                    Energi cahaya  

         n CO2 + nH2O -------------------------->> ( CH2O ) n + n O2

                                    Klorofil     

Pada reaksi ini ( CH2O )n adalah singkatan dari pati atau karbohidrat lain yang mempunyai rumus empiris yang sangat dekat.

Fotosintesis merupakan proses penting, karena :

1.      Sebagai sumber enrgi bagi semua makhluk hidup. Fotosintesis dapat mengubah tenaga cahaya matahari ( tenaga fisik ) menjadi tenaga kimia (ATP dan NADPH2 ).

2.       Menyediakan oksigen ( O2 ) yang penting bagi organisme aerob.

3.       Kecepatan fotosintesis menentukan pertumbuhan dan hasil tumbuhan.

4.      Diperlukan untuk sintesis berbagai senyawa organik yang dibutuhkan oleh hewan dan manusia. Fotosintesis merubah CO2 hasil respirasi menjadi karbohidrat, menghasilkan rangka karbon yang menjadi bahan dasar pembentukan senyawa-senyawa organik lain.

Sebelum awal abad ke-18, para ilmuwan percaya bahwa tumbuhan memperoleh semua bahan penyusunnya dari tanah. Pada tahun 1727, Stephen Hales mengemukakan bahwa sebagian makanan tumbuhan berasal dari atmosfer, dan cahaya terlibat dalam proses ini. Pada saat itu belum diketahui bahwa udara mengandung unsur gas yang berlainan.

Pada tahun 1771, Joseph Priestley, seorang pastor dan ahli kimia berkebangsaan Inggris, menyinggung O2 (walaupun zat yang disebutnya sebagai ‘udara yang tidak mudah terbakar’ ini belum dikenal sebagai molekul) ketika ia menemukan bahwa tumbuhan hijau dapat memperbarui udara yang kotor akibat pernapasan hewan. Kemudian seorang dokter berkebangsaan Belanda, Jan Ingenhousz, memperlihatkan bahwa cahaya diperlukan untuk memurnikan udara tersebut. Ia menemukan bahwa tumbuhan juga ‘mengotori udara’ pada keadaan gelap. Sungguh mengherankan, lalu ia menyarankan agar tumbuhan dikeluarkan dari rumah pada malam hari untuk mencegah kemungkinan meracuni penghuninya. Hal ini dan percobaan perintis sebelumnya pada awal tahun 1700an oleh Stephen Hales, ditelaah oleh Gest (1988).

Pada tahun 1782, Jean Senibier memperlihatkan bahwa adanya gas beracun yang dihasilkan oleh hewan dan tumbuhan pada keadaan gelap (CO2) memacu produksi ‘udara murni’ (O2) saat ada cahaya. Jadi pada saat itu, keikutsertaan dua macam gas dalam fotosintesis telah ditunjukkan. Penelitian Lavoisier dan peneliti lainnya memperlihatkan bahwa kedua gas tersebut adalah CO2 dan O2. Air disinggung oleh NT de Saussure ketika pada tahun 1804 ia pertama kali mengukur fotosintesis secara kuantitatif. Ia mendapatkan bahwa tumbuhan bertambah bobot keringnya selama fotosintesis dan penambahan bobot ini lebih besar daripada selisih bobot CO2 yang diserap dan bobot O2 yang dilepaskan. Ia secara benar menyatakan bahwa selisih tersebut disebabkan oleh H2O. dinyatakan juga bahwa CO2 dan O2 dipertukarkan dalam volume yang kira-kira sama selama proses fotosintesis.

Sifat produk kimia lain dari fotosintesis, yaitu bahan organic, diperlihatkan oleh Julius Sachs pada tahun 1864 ketika ia mengamati pertumbuhan butir pati dalam kloroplas yang disinari. Pati tampak terbentuk hanya pada bagian daun yang terpajang pada cahaya. Jadi reaksi keseluruhan fotosintesis adalah sebagai berikut:

nCO2  +  nH2O  +  cahaya  à  (CH2O)n  +  nO2

Pada reaksi ini (CH2O)n adalah singkatan dari pati atau karbohidrat lain yang mempunyai rumus empiris mirip dengan itu. Pati merupakan produk fotosintesis yang paling banyak di dunia yang dibuat oleh kloroplas.

Penemuan penting berikutnya diperoleh CB van Niel, yang pada awal tahun 1930an menunjukkan kemiripan antara keseluruhan proses fotosintesis pada tumbuhan hijau dan pada bakteri tertentu. Berbagai bakteri dikenal mereduksi CO2 dengan menggunakan energi cahaya dan sumber elektron bukan air. Beberapa bakteri tersebut menggunakan asam organic seperti asam asetat atau asam suksinat sebagai sumber elektron, sedangkan bakteri lainnya yang diamati van Neil menggunakan H2S, dengan hasil samping endapan belerang. Persamaan fotosintesis pada bakteri tersebut diyakini sebagai berikut:

nCO2 + 2nH2S + cahaya à (CH2O)n + nH2O + 2nS

Jika reaksi ini dibandingkan dengan reaksi di atasnya, terdapat analogi antara peranan H2S dan H2O, serta antara O2 dan belerang. Jadi van Neil menyimpulkan bahwa O2 yang dilepaskan oleh tumbuhan berasal dari air, bukan dari CO2. Gagasan kesimpulan ini didukung oleh penelitian Robin Hill dan R Scarisbrick di Inggris pada akhir tahun 1930an. Mereka memperlihatkan bahwa kloroplas dan bagian kloroplas yang disolasi dapat melepaskan O2 pada keadaan terang jika mereka diberi penerima yang tepat bagi elektron yang diambil dari air. Garam Feri (Fe3+) tertentu merupakanpenerima elektron paling awal yang tersedia di kloroplas, dan garam tersebut direduksi menjadi bentuk fero (Fe2+). Pemisahan air yang dikendalikan cahaya (fotolisis) tanpa adanya penambatan CO2 ini kemudian dikenal sebagai reaksi Hill. Penelitian Hill dan Scarisbrick memperlihatkan bahwa keseluruhan sel tidak diperlukan bagi sekurangnya beberapa reaksi fotosintesis, dan bahwa pelepasan O2 pada keadaan terang mutlak berhubungan dengan reduksi CO2.

Bukti yang lebih kuat bahwa pelepasan O2 berasal dari H2O diperoleh pada tahun 1941 dari hasil penelitian Samuel Ruben dan Martin Kamen. Mereka memasok ganggang hijau Chlorella dengan H2O yang mengandung ­18O, isotop oksigen yang berat dan tak-radioaktif yang dapat dilacak dengan spectrometer massa. O2 yang dilepaskan dalam fotosintesis menjadi bertanda 18O, jadi mendukung hipotesis van Neil. Karena alas an teknis, penelitian Ruben tidak dapat membuktikan bahwa O2 semuanya berasal dari H2O, tetapi penelitian berikutnya oleh Alan Stemler dan Richard Radmer (1975) Nampak mampu membuktikannya. Karena itu persamaan fotosintesis sebelumnya diubah dengan memasukkan dua molekul H2O sebagai pereaksi.

nCO2  + 2nH2O + cahaya --kloroplas--> (CH2O)n + nO2 + nH2O.

Pada tahun 1951 ditemukan bahwa salah satu kandungan alami tumbuhan – koenzim yang mengandung vitamin B (niasin atau nikotinamida) dan disebut nikotinamida adenine dinukleotida fosfat (disingkat NADP+) -  dapat juga bertindak sebagai pereaksi Hill, dengan menerima elektron dari air pada reaksi yang berlangsung di membran tilakoid yang diisolasi atau di kloroplas yang rusak. Penemuan ini memacu lagi penelitian fotosintesis, sebab telah dikenal bahwa bentuk tereduksi dari NADP+ yaitu NADPH, dapat mengangkut elektron ke beberapa senyawa tumbuhan, dan diperkirakan bahwa perannya yang lazim di kloroplas adalah mereduksi CO2. Jadi salah satu fungsi penting cahaya dalam fotosintesis adalah mengangkut elektron dari H2O untuk mereduksi NADP+  menjadi NADPH. Fungsi lainnya adalah menyediakan energi untuk membentuk ATP dan Pi.

Perubahan ADP dan Pi menjadi ATP di kloroplas ditemukan di Laboratorium Daniel Aron di University of California, Berkeley, pada tahun 1954 (ditelaah oleh Aron, 1984). Sebelum itu mekanisme penting yang dikenal untuk membentuk ATP hanya respirasi, khususnya reaksi di mitokondria yang disebut fosforilasi oksidatif. Aron menemukan bahwa ATP disintesis dalam kloroplas yang diisolasi hanya pada waktu ada cahaya, dan proses tersebut dinamakan fosforilasi fotosintetik atau fotofosforilasi.

Fotofosforilasi di kloroplas menghasilkan ATP lebih banyak dalam daun selama ada cahaya daripada fosforilasi oksidasi di mitokondria daun tersebut, dan perbedaan ini sangat nyata. Tapi pada persamaan reaksi ketiga tidak menyebut tentang ATP, NADPH, atau NADP+. Alasannya adalah karena setelah ATP dan NADPH terbentuk, energinya digunakan dalam proses reduksi CO2 dan sintesis karbohidrat; dan kemudian ADP, Pi, serta NADP+ dilepaskan lagi. Jadi ADP dan Pi segera diubah menjadi ATP oleh energi cahaya, dan secepat itu pula ATP dirombak ketika fotosintesis terjadi, pada laju yang tetap.

Dalam sejarah, beberapa ahli telah melakukan penelitian yang berkaitan dengan fotosintesis, antara lain Ingenhousz, Engelmann, Sachs, Hill, dan Blackman.

a. Ingenhousz

 Pada tahun 1770, Joseph Priestley seorang ahli kimia Inggris memperlihatkan bahwa tumbuhan mengeluarkan suatu gas yang dibutuhkan dalam pembakaran. Dia mendemonstrasikan hal ini dengan cara membakar lilin dalam suatu wadah tertutup sampai api mati. Lalu ia menyimpan setangkai tumbuhan mint dalam ruang tertutup itu dan dapat mempertahankan nyala api sampai beberapa hari. Meskipun Priestley tidak tahu jenis gas apa yang dikeluarkan tumbuhan, tetapi apa yang dilakukannya memperlihatkan bahwa tumbuhan menghasilkan oksigen ke udara. Pada tahun 1799, seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Jan Ingenhousz berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan oksigen (O2). la melakukan percobaan dengan tumbuhan air Hydrilla verticillata di bawah corong kaca bening terbalik yang dimasukkan ke dalam gelas kimia berisi air. Jika Hydrilla verticillata terkena cahaya matahari, maka akan timbul gelembung-gelembung gas yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reaksi. Ternyata gas tersebut adalah oksigen. Beliau juga membuktikan bahwa cahaya berperan penting dalam proses fotosintesis dan hanya tumbuhan hijau yang dapat melepaskan oksigen.

b. Engelmann

 Pada tahun 1822 Engelmann berhasil membuktikan bahwa klorofil merupakan faktor yang harus ada dalam proses fotosintesis. la melakukan percobaan dengan ganggang hijau Spirogyra yang kloroplasnya berbentuk pita melingkar seperti spiral. Dalam percobaan tersebut ia mengamati bahwa hanya kloroplas yang terkena cahaya mataharilah yang mengeluarkan oksigen. Hal itu terbukti dari banyaknya bakteri aerob yang bergerombol di sekitar kloroplas yang terkena cahaya matahari.

c. Sachs

 Pada tahun 1860, seorang ahli botani Jerman bernama Julius von Sachs berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum (zat tepung). Adanya zat tepung ini dapat dibuktikan dengan uji yodium, sehingga percobaan Sachs ini juga disebut uji yodium.

d. Hill

 Theodore de Smussure, seorang ahli kimia dan fisiolog tumbuhan dari Swiss menunjukkan bahwa air diperlukan dalam proses fotosintesis. Temuan ini diteliti lebih lanjut sehingga pada tahun 1937 seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Robin Hill berhasil membuktikan bahwa cahaya matahari diperlukan untuk memecah air (H2O) menjadi hidrogen (H) dan oksigen (O2). Pemecahan ini disebut fotolisis.

e. Blackman

 Pada tahun 1905 Blackman membuktikan bahwa perubahan karbon dioksida (CO2) menjadi glukosa (C6H12O6) berlangsung tanpa bantuan cahaya matahari. Peristiwa ini sering disebut sebagai reduksi karbon dioksida. Dengan demikian dalam fotosintesis ada dua macam reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Yang merupakan reaksi terang (reaksi Hill) adalah fotolisis, yang merupakan reaksi gelap (reaksi Blackman) adalah reduksi karbon dioksida. Gabungan antara reaksi terang dan reaksi gelap itulah yang kita kenal sekarang sebagai reaksi fotosintesis. Pada tahun 1940 Melvin Calvin dan timnya berhasil menemukan urutan reaksi/proses yang berlangsung pada reaksi gelap. Rangkaian reaksi itu selalu berulang terus menerus dan disebut siklus Calvin.

2.2 Struktur Kloroplas

Kloroplas adalah plastida yang berwarna hijau, umumnya berbentuk lensa, terdapat dalam sel tumbuhan lumut (Bryophyta), paku-pakuan (Pterydophyta) dan tumbuhan berbiji (Spermatophyta). Garis tengah lensa tersebut 2-6 milimikron, sedangkan tebalnya 0,5-1,0 milimikron. Kloroplas terdapat pada hampir seluruh tumbuhan, tetapi tidak umum dalam semua sel. Bila ada, maka tiap sel dapat memiliki satu sampai banyak plastida . Plastida adalah organel bermembran rangkap yang bentuk dan fungsinya bermacam-macam. Proplastida merupakan prekursor berbagai macam plastida dalam jaringan tanaman, tergantung pada macam jaringan dan macam lingkungan yang berpengaruh, proplastida berdiferensiasi menjadi plastida yang berbeda.

Pengamatan dengan mikroskop cahaya, dengan pembesaran yang paling kuat, kloroplast terlihat berbentuk butir. Pada tumbuhan tingkat tinggi umumnya plastida berbentuk cakram (kira-kira 2 x 5 mm, kadang-kadang lebih besar), tersusun dalam lapisan tunggal dalam sitoplasma tetapi bentuk dan posisinya berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya. Pada ganggang, bentuknya dapat seperti mangkuk, spiral, bintang menyerupai jaring, seringkali disertai pirenoid. Kloroplas matang pada beberapa ganggang, bryophyta dan lycopodium dapat memperbanyak diri dengan pembelahan. Kesinambungan kloroplas terjadi melalui pertumbuhan dan pembelahan proplastid di daerah meristem. Bentuk kloroplast yang beraneka ragam ditemukan pada alga. Kloroplast bernbentuk pita spiral ditemukan pada Spirogyra, sedangkan yang berbentuk jala ditemukan pada Cladophora, sedangkan kloroplast berbentuk pita ditemukan pada Zygnema.

Kloroplas dijumpai terutama pada bagian daun yang disebut mesofil, yang sering disebut pula daging daun. Kloroplas juga dijumpai di bagian-bagian lain, bahkan juga pada batang dan ranting yang berwarna hijau. Hal ini disebabkan karena dalam kloroplas terdapat pigmen yang berwarna hijau disebut klorofil. Pigmen ini dapat menyerap energi cahaya. Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan perubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedangkan pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintesis berlangsung di stroma. Disamping klorofil a ( pigmen berwarna hijau ) dikenal pula klorofil b yang mempunyai struktur mirip klorofil a, yaitu pigmen yang berwarna kuning sampai jingga yang disebut karoten.

Seperti halnya mitokondria, kloroplas dikelilingi oleh membran luar dan membran dalam. Seperti membran luar pada mitokondria, membran luar kloroplas juga mengandung porin yang menyebabkan membran ini permeable terhadap molekul dengan ukuran 10.000 dalton. Sebaliknya membran dalam relatif lebih impermeabel. Membran dalam menutupi daerah yang berisi cairan yang disebut stroma yang mengandung enzim untuk reaksi terang pada proses fotosintesis. Stroma juga mengandung DNA dan ribosom. Pelipatan membran dalam membentuk struktur seperti tumpukan piringan yang saling berhubungan yang disebut tilakoid yang tersusun membentuk grana. Membran tilakoid yang mengelilingi ruang interior tilakoid yang berisi cairan mengandung klorofil dan pigmen fotosintesis lain serta rantai transport elektron. Reaksi terang dari fotosintesis terjadi di tilakoid. Membran luar kloroplas menutupi ruang intermembran antara membran dalam dan membran luar kloroplas. Seperti pada matriks mitokondria, stroma kloroplas mengandung molekul DNA sirkuler dan ribosom. Diperkirakan pula terdapat sekitar 60 macam polipeptida pada membran tilakoid. Setengah diantaranya dikode oleh DNA kloroplas. Sebagian besar protein dalam kloroplas dikode oleh gen nuklear, dihasilkan di sitoplasma dan selanjutnya dikirim ke kloroplas.

Berikut adalah struktur dari kloroplas :

Keterangan :

1. membran luar

2. ruang antar membran

3. membran dalam (1+2+3: bagian amplop)

4. stroma

5. lumen tilakoid (inside of thylakoid)

6. membran tilakoid

7. granum (kumpulan tilakoid)

8. tilakoid (lamella)

9. pati

10. ribosom

11. DNA plastida

12. plastoglobula

2.3 Kloroplas dan Fotosintesis

            Pemahaman pertama menyangkut fotosintesis ditunjukkan oleh C.B. van Niel pada tahun 1930 dengan memberikan reaksi fotosintesis sebagai berikut:

CO2 + H2O à (CH2O) + O2.

Energi dari matahari digunakan untuk memecah  CO2, melepaskan O2 dan mentransfer atom karbon ke molekul air untuk membentuk karbohidrat (CH2O). Dari melihat reaksi di atas tampak bahwa reaksi fotosintesis merupakan kebalikan dari reaski respirasi sel.  Akan tetapi tumbuhan tidak menghasilkan makanan dengan hanya membalik reaksi.

            Pada respirasi reaksinya merupakan reaksi redoks. Energi dilepas dari gula pada saat elektron yang berikatan dengan hidrogen diangkut ke oksigen yang membentuk air sebagai hasil samping. Elektron akan kehilangan energi potensialnya karena oksigen elektronegatif yang akan menarik elektron melalui rantai transport elektron. Mitokondria menggunakan energi ini untuk menghasilkan ATP. Seperti respirasi sel, fotosintesis juga merupakan reaksi redoks yang membalik arah aliran elektron. Air terurai dan elektron ditransfer bersama dengan ion hidrogen dari air ke karbondioksida dan mereduksinya menjadi gula. Elektron bertambah energi potensialnya ketika electron ini dipindahkan dari air ke gula.

            Persamaan reaksi fotosintesis tampak seperti suatu reaksi yang sangat sederhana dari suatu proses yang sangat rumit. Akan tetapi sebenarnya fotosintesis bukanlah merupakan suatu poses tunggal. Fotosintesis terdiri dari dua proses yang masing-masing terdiri dari banyak tahapan reaksi. Kedua tahap reaksi tersebut terdiri dari reaksi terang (fotolisis) dan reaksi gelap (siklus Calvin).

BAB III

ISI

3.1 FOTOSINTESIS

Fotosintesis adalah proses pembentukan zat makanan (glukosa) pada tumbuhan yang menggunakan zat hara, air dan karbondioksida dengan bantuan sinar matahari. Fotosintesis sangat penting bagi kehidupan. Selain menghasilkan zat makanan pada tumbuhan, proses ini juga menghasilkan oksigen yang dibutuhkan bagi pernafasan manusia. Proses fotosintesis terjadi pada daun tumbuhan. Proses fotosintesis ini tidak berlangsung pada semua sel tetapi hanya pada sel yang mengandung pigmen fotosintetik. Disamping itu proses fotosintesis juga dipengaruhi oleh kemampuan daun menyerap spektrum cahaya, perbedaan ini disebabkan oleh adanya perbedaan pigmen pada jaringan daun. Kloroplas adalah salah satu pigmen fotosintetik yang berperan penting dalam proses fotosintesis dengan menyerap energi matahari.

Kloroplas adalah zat hijau daun yang terdapat pada semua tumbuhan yang berwarna hijau. Di dalam kloroplas terdapat klorofil. Pigmen fotosintesis ini terdapat pada membran tilakoid. Pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid dengan produk akhir berupa glukosa yang dibentuk di dalam stroma.Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian dari perangkat dalam fotosintesis yang dikenal sebagai fotosistem. Fotosistem adalah unit dari tumbuhan yang menangkap energi matahari (klorofil).
Persamaan reaksi kimia fotosintesis adalah sebagai berikut :

H₂O (air) + CO₂ (karbondioksida) + cahaya → CH₂O (glukosa) + O₂ (oksigen)

Lambat cepatnya proses fotosintesis ditentukan oleh :

1.      Intensitas Cahaya

Laju fotosintesis maksimal jika jumlah cahaya banyak

2.      Suhu

Enzim yang bekerja pada proses ini maksimal pada suhu yang diinginkan

3.      Banyaknya Karbondioksida

Semakin banyak semakin maksimal poses fotosintesis

4.      Banyaknya Air

Semakin banyak, semakin maksimal proses fotosintesis

5.      Tahapan Pertumbuhan

Tumbuhan yang masih berkecambah menunjukkan laju fotosintesis yang maksimal pada tumbuhan dewasa

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 terjadi pada grana (tunggal: granum), sedangkan reaksi gelap terjadi di dalam stroma. Dalam reaksi terang, terjadi konversi energi cahaya menjadi energi kimia dan menghasilkan oksigen (O₂). Sedangkan dalam reaksi gelap terjadi seri reaksi siklik yang membentuk gula dari bahan dasar CO₂ dan energi (ATP dan NADPH). Energi yang digunakan dalam reaksi gelap ini diperoleh dari reaksi terang. Pada proses reaksi gelap tidak dibutuhkan cahaya matahari. Reaksi gelap bertujuan untuk mengubah senyawa yang mengandung atom karbon menjadi molekul gula. Dari semua radiasi matahari yang dipancarkan, hanya panjang gelombang tertentu yang dimanfaatkan tumbuhan untuk proses fotosintesis, yaitu panjang gelombang yang berada pada kisaran cahaya tampak (380-700 nm). Cahaya tampak terbagi atas cahaya merah (610 – 700 nm), hijau kuning (510 – 600 nm), biru (410 – 500 nm) dan violet (< 400 nm). Masing-masing jenis cahaya berbeda pengaruhnya terhadap fotosintesis. Hal ini terkait pada sifat pigmen penangkap cahaya yang bekerja dalam fotosintesis. Pigmen yang terdapat pada membran grana menyerap cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu. Pigmen yang berbeda menyerap cahaya pada panjang gelombang yang berbeda. Kloroplas mengandung beberapa pigmen. Sebagai contoh, klorofil a terutama menyerap cahaya biru-violet dan merah. Klorofil b menyerap cahaya biru dan oranye dan memantulkan cahaya kuning-hijau. Klorofil a berperan langsung dalam reaksi terang, sedangkan klorofil b tidak secara langsung berperan dalam reaksi terang. 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 reaksi fotosintesis

3.2 Reaksi Terang
Berikut tahapan-tahapan reaksi terang :

• Tahap pertama dari system fotosintesis adalah reaksi terang
• Reaksi ini memerlukan molekul air
• Reaksi ini sangat bergantung kepada ketersediaan sinar matahari.
• Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.
• Sinar matahari yang berupa foton yang terbaik adalah sinar merah dan ungu
• Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna ungu (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
• Reaksi ini melibatkan beberapa kompleks protein dari membran tilakoid berupa pigmen yang terdiri dari sistem cahaya yang disebut fotosistem
• Dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I.
• fotosistem I dan II sebagai sistem pembawa elektron
• Fotosistem terdapat perangkat komplek protein pembentuk ATP berupa enzim ATP sintase.
• Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang
  gelombang 680 nanometer,
• sedangkan fotosistem I 700 nanometer.
• Kedua fotosistemini 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(P.680)
• Fotosistem II 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
• 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
• Jadi P 700 ( Photosistem I ) menhasilkan NADPH2 , sedang Phoyosistem II (P 680) menghasilkan Oksigen dan ATP

• Reaksi terang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia, juga menghasilkan oksigen dan mengubah ADP dan NADP⁺ menjadi energi pembawa ATP dan NADPH2.
• ATP dan NADPH2 inilah yang nanti akan digunakan sebagaienergi dalam reaksi gelap
• Reaksi terang terjadi di tilakoid, yaitu struktur cakram yang terbentuk dari pelipatan membran dalam kloroplas.
• Membran tilakoid menangkap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia. Jika ada bertumpuk-tumpuk tilakoid, maka disebut grana

Reaksi terang dari fotosintesis pada membran tilakoid

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH₂. Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena.

Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II. Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm.

Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap dimana fotosistem II menyerap cahaya matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan muatan menjadi tidak stabil. Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul H₂O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim. Hal ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH₂. Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H⁺ yang disebut sitokrom b₆-f kompleks. Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah:

2H₂O + 4 foton + 2PQ + 4H^- → 4H⁺ + O₂ + 2PQH₂

Sitokrom b₆-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH₂ dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC). Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H⁺ dari stroma ke membran tilakoid. Reaksi yang terjadi pada sitokrom b₆-f kompleks adalah:

2PQH₂ + 4PC(Cu²⁺) → 2PQ + 4PC(Cu⁺) + 4 H⁺ (lumen)

Elektron dari sitokrom b₆-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H₂O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu. Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin.  Reaksi keseluruhan pada PS I adalah:

Cahaya + 4PC(Cu⁺) + 4Fd(Fe³⁺) → 4PC(Cu²⁺) + 4Fd(Fe²⁺)

Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP⁺ dan membentuk NADPH. Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP⁺ reduktase. Reaksinya adalah:

4Fd (Fe²⁺) + 2NADP⁺ + 2H⁺ → 4Fd (Fe³⁺) + 2NADPH

Ion H⁺ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase. ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H⁺ melintasi membran tilakoid. Masuknya H⁺ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP. Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut:

Sinar + ADP + Pi + NADP⁺ + 2H₂O → ATP + NADPH + 3H⁺ + O₂

Secara ringkas, reaksi terang pada fotosintesis ini terbagi menjadi dua, yaitu fosforilasi siklik dan fosforilasi nonsiklik. Fosforilasi adalah reaksi penambahan gugus fosfat kepada senyawa organik untuk membentuk senyawa fosfat organik. Pada reaksi terang, karena dibantu oleh cahaya, fosforilasi ini disebut juga fotofosforilasi. 

Fotofosforilasi Siklik 

Reaksi fotofosforilasi siklik adalah reaksi yang hanya melibatkan satu fotosistem, yaitu fotosistem I. Dalam fotofosforilasi siklik, pergerakan elektron dimulai dari fotosistem I dan berakhir di fotosistem I.

Pertama, energi cahaya, yang dihasilkan oleh matahari, membuat elektron-elektron di P700 tereksitasi (menjadi aktif karena rangsangan dari luar), dan keluar menuju akseptor elektron primer kemudian menuju rantai transpor elektron. Karena P700 mentransfer elektronnya ke akseptor elektron, P700 mengalami defisiensi elektron dan tidak dapat melaksanakan fungsinya. Selama perpindahan elektron dari akseptor satu ke akseptor lain, selalu terjadi transformasi hidrogen bersama-sama elektron. Rantai transpor ini menghasilkan gaya penggerak proton, yang memompa ion H⁺ melewati membran, yang kemudian menghasilkan gradien konsentrasi yang dapat digunakan untuk menggerakkan sintase ATP selama kemiosmosis, yang kemudian menghasilkan ATP. Dari rantai transpor, elektron kembali ke fotosistem I. Dengan kembalinya elektron ke fotosistem I, maka fotosistem I dapat kembali melaksanakan fungsinya. Fotofosforilasi siklik terjadi pada beberapa bakteri, dan juga terjadi pada semua organisme fotoautotrof.  

Berikut adalah tahapan-tahapan dalam Fotofosforilasi Siklik secara sistematis :

• Pertama, energi cahaya, yang dihasilkan oleh matahari,membuat elektron-elektron di   P700 menjadi aktif karenarangsangan dari luar

• elektron yang terbentuk itu kemudian keluar menuju akseptorelektron primer kemudian menuju rantai transpor elektron.

• Karena P700 mentransfer elektronnya ke akseptor elektron,P700 mengalami defisiensi elektron dan tidak dapatmelaksanakan fungsinya.

• Selama perpindahan elektron dari akseptor satu ke akseptorlain, selalu terjadi transformasi hidrogen bersama-sama elektronpada fotosistem P 700 itu

• Rantai transpor ini menghasilkan gaya penggerak proton, yang memompa ion H+ melewati membran, yang kemudianmenghasilkan gradien konsentrasi yang dapat digunakan untukmenggerakkan sintase ATP selama kemiosmosis, yangkemudian menghasilkan ATP

• Dari rantai transpor, elektron kembali ke fotosistem I. Dengankembalinya elektron ke fotosistem I, maka fotosistem I dapatkembali melaksanakan fungsinya lagi

• Fotofosforilasi siklik terjadi pada beberapa bakteri, dan jugaterjadi pada semua organisme fotoautotrof

Fotofosforilasi Nonsiklik 

Reaksi fotofosforilasi nonsiklik adalah reaksi dua tahap yang melibatkan dua fotosistem klorofil yang berbeda, yaitu fotosistem I dan II. Dalam fotofosforilasi nonsiklik, pergerakan elektron dimulai di fotosistem II, tetapi elektron tidak kembali lagi ke fotosistem II.

Mula-mula, molekul air diurai menjadi 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^-. Dua elektron dari molekul air tersimpan di fotosistem II, sementara ion H+ akan digunakan pada reaksi yang lain dan O₂ akan dilepaskan ke udara bebas. Karena tersinari oleh cahaya matahari, dua elektron yang ada di P680 menjadi tereksitasi dan keluar menuju akseptor elektron primer. Setelah terjadi transfer elektron, P680 menjadi defisiensi elektron, tetapi dapat cepat dipulihkan berkat elektron dari hasil penguraian air tadi. Setelah itu mereka bergerak lagi ke rantai transpor elektron, yang membawa mereka melewati pheophytin, plastoquinon, komplek sitokrom b6f, plastosianin, dan akhirnya sampai di fotosistem I, tepatnya di P700. Perjalanan elektron diatas disebut juga dengan “skema Z”. Sepanjang perjalanan di rantai transpor, dua elektron tersebut mengeluarkan energi untuk reaksi sintesis kemiosmotik ATP, yang kemudian menghasilkan ATP.

Sesampainya di fotosistem I, dua elektron tersebut mendapat pasokan tenaga yang cukup besar dari cahaya matahari. Kemudian elektron itu bergerak ke molekul akseptor, feredoksin, dan akhirnya sampai di ujung rantai transpor, dimana dua elektron tersebut telah ditunggu oleh NADP⁺ dan H⁺, yang berasal dari penguraian air. Dengan bantuan suatu enzim bernama Feredoksin-NADP reduktase, disingkat FNR, NADP⁺, H⁺, dan elektron tersebut menjalani suatu reaksi:

NADP⁺+H⁺+2e^-—>NADPH

NADPH, sebagai hasil reaksi diatas, akan digunakan dalam reaksi Calvin-Benson, atau reaksi gelap.

Berikut adalah tahapan-tahapan dalam Fotofosforilasi NonSiklik secara sistematis :

• Mula-mula, molekul air diurai menjadi 2H++ 1/2O2+ 2e-.

• Dua elektron dari molekul air tersimpan di fotosistem II

• Sedang ion H+ akan digunakan pada reaksi yang lain

• dan O2 akan dilepaskan ke udara bebas.

• Karena tersinari oleh cahaya matahari, dua elektron yang ada diP680 menjadi tereksitasi dan keluar menuju akseptor elektronprimer.

• Setelah terjadi transfer elektron, P680 menjadi defisiensielektron, tetapi dapat cepat dipulihkan berkat elektron dari hasilpenguraian air tadi.

• Setelah itu mereka bergerak lagi ke rantai transpor elektron,yang membawa mereka melewati pheophytin, plastoquinon,komplek sitokrom b6f, plastosianin, dan akhirnya sampai difotosistem I, tepatnya di P700.

• Perjalanan elektron diatas disebut juga dengan "skema Z".

• Sepanjang perjalanan di rantai transpor, dua elektron tersebutmengeluarkan energi untuk  reaksi sintesis kemiosmotik ATP,yang kemudian menghasilkanATP

.• Sesampainya di fotosistem I, dua elektron tersebut mendapatpasokan tenaga yang cukup besar dari cahaya matahari.

• Kemudian elektron itu bergerak ke molekul akseptor, feredoksin,dan akhirnya sampai di ujung rantai transpor, dimana duaelektron tersebut telah ditunggu oleh NADP+ dan H+, yangberasal dari penguraian air.

• Dengan bantuan suatu enzim bernama Feredoksin-NADPreduktase, disingkat FNR, NADP+, H+, dan elektron tersebutmenjalani suatu reaksi:

• NADP++H++2e-—>NADPH

• NADPH, sebagai hasil reaksi diatas, akan digunakan dalamreaksi Calvin-Benson, atau reaksi gelap.

Fotofosforilasi siklik dan fotofosforilasi nonsiklik memiliki perbedaan yang mendasar, yaitu sebagai berikut

FOTOFOSFORILASI SIKLIK                                FOTOFOSFORILASI NONSIKLIK

-          Hanya melibatkan fotosistem I                              - Melibatkan fotosistem I dan II

-           Menghasilkan ATP                                            - Menghasilkan ATP dan NADPH

-           Tidak terjadi fotolisis air                                    - Terjadi fotolisis air

BAB V

DAFTAR PUSTAKA

Campbell and Reece. 2002. Biologi. Jakarta: Erlangga.

Hopkin, W.G., Huner, N.P.A. (2004). Introduction to Plant Physiology. Third Edition. John Wiley and Sons, Inc. United State of America.

Lakitan, Benyamin.2004. DASAR – DASAR FISIOLOGI TUMBUHAN. Jakarta: PT Raja Grafindo Persada.

http:// micro.magnet.fsu.edu/cells/chloroplasts/

http://sunenergyfacts.com/

http://fotosintesis.htm/

http://akmilibnuipa2.blogspot.com/2011/12/sejarah-penemuan-fotosintesis.html