Fotosintesis

1. Definisi Fotosintesis

Fotosintesis adalah suatu proses biokimia yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri untuk memproduksi energi terpakai (nutrisi) dengan memanfaatkan energi cahaya. Proses fotosintesis merupakan bagian dari anabolisme (proses penyusunan), sementara manusia dan makhluk hidup lainnya melakukan respirasi aerob yang tergolong katabolisme (pembongkaran).

Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO₂ diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.

Jika tumbuhan dalam proses fotosintesisnya menghasilkan zat-zat organik dari zat-zat anorganik, maka kemmpuan hidupnya dapat digolongkan sebagai primat, yaitu yang pertama dalam kehidupan di bumi ini. Sebagai organisme hidup yang sanggup atas dasar usaha hidup sendiri (autrotof). Tumbuhan mendaului kehidupan lain-lainnya, seperti hewan yang kebutuhannya akan zat-zat organik tergantung dari zat-zat anorganik. Semua manifestasi energi di dunia ini, terkecuali hasil dari zat-zat radioaktif dan beberapa zat lainnya dari hasil pertambangan, sebenarnya berasal dari cahaya matahari. Tiap makhluk hidup memerlukan energi, tetapi hanya tumbuhaan yang langsung mempergunakan energi matahari dengan bantuan pigmen klorofil untuk memproduksi makanan sendiri. Itu sebabnya maka fotosintesis adalah dasar utama fisiologi yang errata hubungannya dengan kehidupan.

Energi kimia yang diperlukan dalam fofosintesis berasal dari hasil transformasi energi cahaya. Pada sintesis glukosa dari karbondioksida dan air diperlukan 675 kilokalori. Emisi cahaya muncul dalam bentuk paket gelombang yang berasal dari matahari yang disebut juga foton. Foton atau kuantum cahaya (hv) berarti bagian terkecil dari pancaran elektromaknetik (h adalah konsanta dari Planck dan v adalah frekuensi pancaran). Energy suatu kuantum ini bertambah besar, jika gelombangnya mengecil antara 40-70 kcal. Kesatuan grammolekul foton disebut juga satu Einstein (1 E). sesuai dengan hokum Einstein tentang fotokimia, sesuatu molekuk hanya dapat bereaksi jika ia telah mengabsorpsi 1 foton Beberapa nilai energi dalam gelombang cahaya dapat dilihat pada tabel berikut:

Gelombang		Frekuensi Per Sek .(V)	Nilai Kuantum Foton (h v) energi	Einstein kcal per mol.
nm	cm
750 (merah)	7,5 x 10-5	4 x 1014	2,6 x 10-12	37,8
650 (merah)	6,5 x 10-5	4,58 x 1014	3 x 10-12	43,48
590 (kuning)	5,9 x 10-5	5,08  x 1014	3,3 x 10-12	48,06
490 (biru)	4,9 x 10-5	6,12 x 1014	4,01 x 10-12	57,88
395 (u.v)	3,95 x 10-5	7,59 x 1014	4,97 x 10-12	71,8

2. Plastida

 

Plastida merupakan organel utama yang hanya ditemukan pada tumbuhan dan alga. Plastida berfungsi untuk fotosintesis, dan juga untuk sintesis asam lemak dan terpen yang diperlukan untuk pertumbuhan sel tumbuhan. Plastida juga organel yang meghasilkan warna pada sel tumbuhan. Plastida dapat dilihat dengan mikroskop cahaya biasa. Plastida merupakan derivat dari proplastid, yang dibentuk pada bagian meristematik tumbuhan. Tergantung pada fungsi dan morfologinya, plastida biasanya diklasifikasikan menjadi kloroplas, leukoplas (termaduk amiloplas dan elaioplas), atau kromopas.

2.1 Plastida pada tumbuhan

Pada tumbuhan, plastida dibedakan kedalam beberapa bentuk, tergantung fungsinya dalam sel. Plastida yang belum teriferensiasi akan berkembang menjadi:

Amiloplas : untuk menyimpan cairan

Kloroplas : untuk fotosintesis

Etioplas : kloroplas yang belum terkena cahaya

Elaioplas : untuk menyimpan lemak

Kromoplas : untuk sintesis dan menyimpan pigmen

Leukoplas : untuk mensistesis monoterpen

Setiap plastid berisi berbagai kopi plastid gen pada lingkar 75-250 kb. Gen plastid berisi kurang lebih 100 gen yang mengkode rRNAs dan tRNAs.

2.2 Kebakaan Plastida

Kebanyakan tumbuhan mewarisi plastida hanya dari induknya. Angiosperm umumnya mewarisi plastida dari induk betina, sedangkan beberapa gimnospermae mewarisi plastida dari induk jantan. Alga juga mewaisi plastida dari salah satu induknya.

Tumbuhan mewarisi plastida hanya dari induknya. Angiosperm umumnya mewarisi plastida dari induk betina, sedangkan beberapa gimnospermae mewarisi plastida dari induk jantan. Alga juga mewaisi plastida dari salah satu induknya.

2.3 Asal plastida

Plastida berasal dari endosimbiosis sianobakteri. Pada alga hijau dan tumbuhan disebut kloroplas, rhodoplas pada alga merah dan sianelles. Plastida dibedakan atas pigmennya, namun juga ultrastruktur.

2.4.1                 Leukoplas

Plastida ini berwarna putih berfungsi sebagai penyimpan makanan, terdiri dari:

•         Amiloplas (untuk menyimpan amilum)

•         Elaioplas atau Lipidoplas (untuk menyimpan lemak/minyak).

•         Proteoplas (untuk menyimpan protein).

2.4.2                 Kloroplas

 

Kloroplas merupakan plastida berwarna hijau. Kloroplas yang berkembang dalam batang dan sel daun mengandung pigmen hijau yang dalam fotositesis menyerap tenaga matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi gula, yakni sumber energi kimia dan makanan bagi tetumbuhan. 

Kloroplas memperbanyak diri dengan memisahkan diri secara bebas dari pembelahan inti sel. Plastida ini berfungsi menghasilkan klorofil dan sebagai tempat berlangsungnya fotosintesis. Kandungan kimiawi kloroplas adalah protein, fosfolipid, pigmen hijau dan kuning, DNA dan RNA.

2.4.3                 Kromoplas

Kromoplas merupakan plastida yang mengandung pigmen, misalnya :

•                  Fikosianin menimbulkan warna biru misalnya pada Cyanophyta.

•                  Fikoeritrin menimbulkan warna merah misalnya pada Rhodophyta.

•                  Karoten menimbulkan warna keemasan misalnya pada wortel dan Chrysophyta.

•                  Xantofil menimbulkan warna kuning misalnya pada daun yang tua.

•                  Fukosatin menimbulkan warna pirang misalnya pada Phaeophyta.

Kloroplas dan plastida lainnya memiliki membran rangkap. Membran dalam melingkupi matriks yang dinamakan stroma. Membran dalam ini terlipat berpasangan yang disebut lamela. Secara berkala lamella ini membesar sehingga membentuk gelembung pipih terbungkus membran dan dinamakan tilakoid. Struktur ini tersusun dalam tumpukan mirip koin. Tumpikan tilakoid dinamakan granum. Pada tilakoid terdapat unit fotosintesis yang berisi molekul pigmen seperti klorofil a, klorofil b, karoten, xantofil.

3. Fotosintesis Pada Tumbuhan

 

Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung. dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini:

12H₂O + 6CO₂ + cahaya → C₆H₁₂O₆ (glukosa) + 6O₂ + 6H₂O

Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil mengandung organel yang disebut kloroplas. Kloroplas inilah yang menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan. 

4. Proses Fotosintesis

Hingga sekarang fotosintesis masih terus dipelajari karena masih ada sejumlah tahap yang belum bisa dijelaskan, meskipun sudah sangat banyak yang diketahui tentang proses vital ini. Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang ilmu pengetahuan alam utama, seperti fisika, kimia, maupun biologi sendiri.

Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun. Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian stroma. Hasil fotosintesis (disebut fotosintat) biasanya dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.

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

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

Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna biru (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. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I. Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer, sedangkan fotosistem I 700 nanometer. Kedua fotosistem ini 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, membuatnya 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. Pendapat ini pertama kali diungkapkan oleh C.B. van Neil yang mempelajari bakteri fotosintetik pada tahun 1930-an. Bakteri fotosintetik, selain sianobakteri, menggunakan tidak menghasilkan oksigen karena menggunakan ionisasi sulfida atau hidrogen.

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.

Reaksi gelap

ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu berbagai proses biokimia. Pada tumbuhan proses biokimia yang terpicu adalah siklus Calvin yang mengikat karbon dioksida untuk membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti glukosa). Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya).

Faktor penentu laju fotosintesis

Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis:

1.                  Intensitas cahaya

Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.

2.                  Konsentrasi karbon dioksida

Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.

3.                  Suhu
Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.

4.                  Kadar air

Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.

5.                  Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)

Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.

6.                  Tahap pertumbuhan

Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.