BIOHOLIC: FOTOSINTESIS - ANABOLISME - MATERI BIOLOGI SMA/MA KELAS XII

FOTOSINTESIS

Fotosintesis berasal dari bahasa Yunani φώτο- [fó̱ to-] yang berarti "cahaya," dan σύνθεσις[sýnthesis] yang berarti "menggabungkan", "penggabungan". Fotosintesis merupakan proses pembentukan karbohidrat dari karbondioksida dan air dengan bantuan sinar matahari . Fotosintesis merupakan salah satu cara tumbuhan untuk menghasilkan makanan dan energi. Proses fotosintesis berlangsung melalui tahap-tahap sebagai berikut:

Pada tahap pertama terjadi proses penangkapan energi surya atau proses-proses yang bergantung pada keberadaan cahaya. Proses ini biasa dinamakan reaksi terang. Reaksi-reaksi cahaya berlangsung pada bagian grana kloroplas. Sebagian energi matahari yang diserap akan diubah menjadi energi kimia, yaitu berupa zat kimia berenergi tinggi. Selanjutnya, zat itu akan digunakan untuk proses penyusunan zat gula. Sebagian energi matahari juga digunakan untuk fotolisis air (H₂O) sehingga dihasilkan ion hidrogen (H₊) dan O₂. Ion hidrogen tersebut akan digabungkan dengan CO₂ membentuk zat gula (CH₂O)n. Sedangkan O₂ -nya akan dikeluarkan.

Reaksi fotosintesis

Organisme yang melakukan fotosintesis disebut fotoautotrof karena mereka dapat membuat makanannya sendiri. Proses fotosintesis menghasilkan karbohidrat Karbohidrat merupakan sumber energi utama bagi tubuh manusia, yang menyediakan 4 kilokalori (17 kilojoule) energi pangan per gram.

Orang yang pertama kali menemukan fotosintesis adalah Jan Ingenhousz. Fotosintesis merupakan suatu proses yang penting bagi organisme di bumi, dengan fotosintesis ini tumbuhan menyediakan bagi organisme lain baik secara langsung maupun tidak langsung. Jan Ingenhosz melakukan percobaan dengan memasukkan tumbuhan Hydrilla verticillata ke dalam bejana yang berisi air. Bejana gelas itu ditutup dengan corong terbalik dan diatasnya diberi tabung reaksi yang diisi air hingga penuh, kemudian bejana itu diletakkan di terik matahari. Tak lama kemudian muncul gelembung udara dari tumbuhan air itu yang menandakan adanya oksigen (Kimball, 1993).

Tempat Terjadinya Fotosintesis

Semua bagian tanaman yang hijau, termasuk batang hijau dan buah yang tidak matang, memiliki kloroplas, sebagian besar daunnya merupakan lokasi utama untuk fotosintesis. Kloroplas banyak ditemukan di sel mesofil, jaringan bagian dalam daun. Karbondioksida (CO₂) memasuki daun, lalu oksigen keluar melalui pori-pori mikroskopis yang disebut stomata (dalam bahasa Yunani, stoma: tunggal, berarti 'mulut'). Sementara air diserap oleh akar dan dikirim ke daun melalui batang. Saat sinar matahari jatuh ke permukaan daun, klorofil menangkap energi dari cahaya matahari tersebut. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna atau transparan, kemudian diteruskan menuju mesofil. Di mesofil inilah sebagian besar proses fotosintesis terjadi. Energi tersebut kemudian digunakan untuk mengubah air menjadi gula/glukosa (C₆H₁₂O₆) dan oksigen (O₂). Setelah itu dari proses fotosintesis akan menghasilkan makanan bagi tumbuhan. Sementara oksigen yang dihasilkan dikeluarkan oleh tumbuhan lewat stomata. Oksigen ini kemudian berada di udara bebas untuk dihirup oleh makhluk hidup lain yaitu manusia dan hewan.

Tahapan Fotosintesis: Reaksi Terang dan Reaksi Gelap

Secara umum fotosintesis terbagi menjadi dua tahapan reaksi yang langkah-langkahnya cukup rumit, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Reaksi terang adalah tahapan dalam fotosintesis yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia (Campbell et al., 2017). Pada tahap ini molekul air terpisah dan menjadi sumber elektron dan proton (ion H+) dan menghasilkan O2 sebagai by-product-nya.

Gambar Reaksi Terang

(sumber: https://www.generasibiologi.com/2018/04/reaksi-fotosintesis-gelap-dan-terang.html)

Penangkapan energi cahaya pada reaksi terang melibatkan dua sistem cahaya (fotosistem) yaitu fotosistem 1 dan fotosistem 2. Fotosistem adalah molekul protein kompleks yang terdapat di dalam membran tilakoid. Klorofil yang terdapat di dalam fotosistem I (PS I) akan menyerap foton (energi cahaya) dengan maksimal panjang gelombang 700 nm sedangkan klorofil pada fotosistem II (PS II) akan menyerap maksimal panjang gelombang cahaya 680 nm.

Pada mulanya, foton akan diserap oleh klorofil di PS II. Ketika foton diserap oleh 1 klorofil, energi yang diperoleh dilepaskan ke pigmen.
Elektron di dalam PS II menjadi tereksitasi (berubah menjadi energi yang lebih tinggi). Elektron tersebut menjadi tidak stabil dan akan ditangkap oleh PS II lain yang menyebabkan PS II yang kehilangan elektron menjadi bermuatan positif. Elektron yang hilang diganti dengan cara pemecahan molekul air.
Menghasilkan produk sampingan berupa O₂ (oksigen) dan elektron H⁺. oksigen akan dilepas ke udara sedangkan elektron H⁺ akan digunakan di dalam PS I. Melalui rantai elektron transpor, tiap elektron yang tereksitasi akan ditransfer ke PS I.
Elektron tersebut akan menyediakan energy untuk pembentukan ATP. Foton yang diserap oleh PS 1 akan mengeksitasi elektron yang selanjutnya akan ditangkap oleh aseptor elektron.
Elektron selanjutnya dibawa ke NADP reduktase untuk mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH.

Reaksi terang juga menghasilkan ATP melalui proses kemiosmosis untuk menambahkan gugus fosfat ke ADP (disebut fotofosforilasi). Jadi energi cahaya pada awalnya dirubah menjadi energi kimia dalam bentuk NADPH (sumber elektron yang dapat memberikan elektron kepada penerina elektron) dan ATP (energi sel). Reaksi terang tidak menghasilkan gula. Pembentukan gula terjadi pada tahap kedua fotosintesis yaitu siklus Calvin.

Siklus Calvin dimulai dengan penggabungan CO₂ dari udara dengan molekul organik yang sudah tersedia dalam kloroplas. Penggabungan karbon dengan komponen organik ini disebut fiksasi karbon. Siklus karbon kemudian mereduksi karbon terfiksasi menjadi karbohidrat dengan menambahkan elektron-elektron. Energi pereduksi disediakan oleh NADPH yang mendapatkan elektron dari reaksi terang. Untuk mengubah CO₂ menjadi karbohidrat, siklus Calvin juga membutuhkan energi kimia dalam bentuk ATP yang juga dihasilkan melalui reaksi terang.

Jadi, siklus Calvin membuat gula dengan bantuan NADPH dan ATP yang dihasilkan oleh reaksi terang. Langkah-langkah metabolik siklus Calvin ini kadang-kadang disebut sebagai reaksi gelap atau light-independent reactions karena langkah-langkah/reaksi di dalam siklus ini tidak membutuhkan cahaya secara langsung. Siklus Calvin pada tanaman berlangsung selama siang hari dimana reaksi terang menyediakan NADPH dan ATP yang dibutuhkan oleh siklus Calvin. Tilakoid dari kloroplas merupakan tempat terjadinya reaksi terang sedangkan siklus Calvin terjadi dalam stroma. Di dalam tilakoid molekul NAD⁺ dan ADP mengambil elektron dan gugus fosfat, dan kemudian NADPH dan ATP dilepaskan dalam stroma.

Pada bagian ini, terdapat seluruh perangkat untuk reaksi-reaksi penyusunan zat gula. Siklus ini mereduksi CO₂ menjadi (CH₂O)₆ atau karbohidrat. Selain ATP dan NADPH dari reaksi terang, reaksi ini membutuhkan molekul CO₂.

Siklus calvin dimulai dengan penggabungan senyawa CO₂ dengan senyawa gula berantai karbon 5 (RuBP-ribulosa bifosfat) menghasilkan 2 senyawa 3-PGA (forfogliserat) yang masing-masing berantai karbon 3.
6 senyawa 3-PGA diubah menjadi 6 senyawa G3P (gliseraldehid 3 fosfat) dengan bantuan 6 ATP dan 6 NADPH.
5 senyawa G3P akan mengalami siklus berulang membentuk RuBP dan diubah kembali menjadi 3-PGA dan seterusnya.
1 senyawa G3P akan diubah menjadi glukosa (C₆H₁₂O₆) dan senyawa lainnya. Glukosa maupun senyawa lainnya akan digunakan sebagai sumber energi bagi tumbuhan.