Fotosintesis Tumbuhan

   Semua makhluk hidup memerlukan makanan untuk pertumbuhannya, demikian juga tumbuhan. Berbeda dengan hewan dan manusia, tumbuhan membuat sendiri makanannnya melalui proses fotosintesis, sehingga disebut makhluk autotrof. Fotosintesis adalah proses tanaman menggunakan energi dari sinar matahari untuk menghasilkan gula, yang akan digunakan sebagai energi untuk hidup. Perubahan energi sinar matahari yang tidak tampak menjadi energi kimia dilakukan oleh zat hijau daun yang disebut sebagai klorofil. Proses fotosintesis menggunakan air dan karbondioksida untuk menghasilkan gula dan oksigen.

Gambar reaksi kimia untuk proses fotosintesis

A. Sejarah Penemuan Fotosintesis

    Meskipun masih ada langkah-langkah dalam fotosintesis yang belum dipahami, persamaan umum fotosintesis telah diketahui sejak tahun 1800-an. Pada awal tahun 1600-an, seorang dokter dan ahli kimia, Jan Val Helmont, seorang flandria (sekarang bagian dari belgia), melakukan percobaan untuk mengetahui faktor apa yang menyebabkan massa tumbuhan bertambah dari waktu ke waktu. Dari penelitannya , Helmont menyimpulkan bahwa massa tumbuhan bertambah hanya karena pemberian air. Namun, pada tahun 1727, ahli botani inggris, Stephen Hales berhipotesis bahwa pasti ada faktor lain selain air yang berperan. Ia mengemukakan bahwa sebagian makanan tumbuhan berasal dari atmosfer dan cahaya yang terlibat dalam proses tertentu. Pada saat itu belum diketahui bahwa udara mengandung unsur gas yang berlainan. 

   Pada tahun 1771, Joseph Priestley, seorang ahli kimia dan pendeta berkebangsaan inggris, menemukan bahwa ketika ia menutupi sebuah lilin menyala dengan sebuah toples terbak, nyalanya akan mati sebelum lilinnya habis terbakar. Ia kemudian menemukan bila ia meletakkan tikus dalam toples terbalik bersama lilin, tikus itu akan lemas dan akan mati. dari kedua percobaan itu, Priestley menyipulkan bahwa nyala lilin telah "merusak" udara dalam toples itu dan menyebabkan matinya tikus. Ia kemudian menunjukkan bahwa udara yang telah "dirusak" oleh lilin tersebut dapat "dipulihkan" oleh tumbuhan. Ia juga menunjukkan bahwa tikus dapat tetap hidup dalam toples tertutup asalkan di dalamnya juga terdapat tumbuhan. Pada tahun 1778, Jan Ingenhousz, dokter kerajaan austria, mengulangi eksperimen priestley. Ia memperlihatkan bahwa cahaya matahari berpengaruh pada tumbuhan sehingga dapat memulihkan udara yang rusak. Ia juga menemukan bahwa tumbuhan juga mengotori udara pada keadaan gelap ia lalu menyarankan agar tumbuhan dikeluarkan dari rumah pada malam hari untuk mencegah kemungkinan meracuni penghuninya.

   Akhirnya pada tahun 1782, Jean Senebier, seorang pastor perancis, menunjukkan bahwa udara yang dipulihkan dan merusak itu adalah karbondioksida yang diserap oleh tumbuhan dalam fotosintesis. Tidak lama kemudian, Theodore de Saussre berhasil menunjukkan hubungan antara hipotesis Stephen Hale dengan percobaan-percobaan pemulihan udara. Ia menemukan bahwa peningkatan massa tumbuhan bukan hanya karena penyerapan karbondioksida, tetapi juga oleh pemberian air. Melalui serangkaian eksperimen inilah akhirnya para ahli berhasil menggambarkan persamaan umum dari fotosintesis yang menghasilkan makanan (seperti glukosa). Cornelis Van Niel menghasilkan penemuan penting yang menjelaskan proses kimia fotosintesis. Dengan mempelajari bakteri sulfur ungu dan bakteri hijau, dia menjadi ilmuan pertama yang menunjukkan bahwa fotosintesis merupakan reaksi redoks yang bergantung pada cahaya, yang mana hidrogen mengurangi karbondioksida.

   Robert Emerson menemukan dua reaksi cahaya dengan menguji produktivitas tumbuhan menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Dengan hanya cahaya merah, reaksi cahaya dapat ditekan. Ketika cahaya biru dan merah digabungkan, hasilnya menjadi lebih banyak. Dengan demikian, ada dua protosistem, yang satu menyerap sampai panjang gelombang 600 nm, yang lainnya sampai 700 nm. Yang pertama kali dikenal sebagai PSII, yang kedua PSI. PSI hanya mengandung klorofil a, PAII mengandung terutama klorofil a dan klorofil b, di anatar pigmen lainnya. Ini meliputi fikobilin, yang merupakan pigmen merah dan biru, serta fukoksantol untuk alga coklat dan diatom. Proses ini paling produktif ketika penyerapan kuantanya seimbang untuk PSII dan PSi, menjamin bahwa masukan energi dari kompleks aneta terbagi antara sistem PSI dan PSII, yang pada gilirannya menggerakan fotosintesis. Robert Hill berfikir bahwa suatu kompleks reaksi terdiri atas perantara ke kitrokom b6 (kini plastokinom), yang lainnya dari kitokrom f ke satu tahap dalam mekanisme penghasilan karbohidrat. Semua itu dihubungkan oleh plastokinon, yang memerlukan energi untuk mengurangi kitokrom f karena itu merupakan reduktan yang baik.

   Percobaan lebih lanjut yang membuktikan bahwa oksigen berkembang pada fotosintesis tumbuhan hijau dilakukan oleh Hill pada tahun 1937 dan 1939. Dia menunjukkan bahwa kloroplas terisolasi melepaskan oksigen ketika memperoleh agen pengurang tak alami seperti besi oksalat, ferisianida atau benzokinon setelah sebelumnya diterangi oleh cahaya. Reaksi Hill adalah sebagai berikut :

6H2O + 6CO2 + (cahaya, kloroplas) ==> C6H12O6 + 6O2  

yang mana A adalah penerima elektron. Dengan demikian, dalam penerangan, penerima elektron terkurangi dan oksigen berkembang. Samue Ruben dan Martin Kamen menggunakan isotop radioaktif untuk menunjukkan bahwa oksigen yang dilepaskan dalam fotosintesis berasal dari air. Melvin Calvin dan Andrew Benson, bersama dengan James Bassham, menjelaskan jalur asimilasi karbon (siklus reduksi karbon fotosintesis) pada tumbuhan. Siklus reduksi karbon kini dikenal sebagai siklus Calvin, yang mengabaikan kontribusi oleh Bassham dan Benson. Banyak ilmuan menyebut siklus ini sebagai siklus Calvin-Benson, Benson-Calvin, dan beberapa bahkan menyebutnya siklus Calvin-Benson-Bassha, (atau CBB). Ilmuan pemenang hadiah nobel, Rudolph A. Marcus, berhasil menemukan fungsi dan manfaat dari rantai pengangkutan elektron. Otto Heinrich Warburg dan Dean Burk menemukan reaksi fotosintesis I-kuantum yang membagi CO2 diaktifkan oleh respirasi. Louis N.M Duysens dan Jan Amez menemukan bahwa klorofil a menyerap satu cahaya, mengoksidasi kitokrom f, klorofil a (dan pigmen lainnya) akan menyerap cahaya lainnya, namun akan mengurangi kitokrom sama yang telah teroksidasi, menunjukkan bahwa dua reaksi cahaya itu ada dalam satu rangkaian.

 B. Pengamatan Proses Fotosintesis

   Pada gambar di samping dapat dijelaskan bahwa karbondioksida ditambah dengan air kemudian diproses dengan energi cahaya menghasilkan glukosa, oksigen dan air. Atau dapat dijelaskan dengan enam molekul karbondioksida dan dua belas molekul air, dikonsumsi, kemudian menghasilkan glukosa, enam molekul oksigen dan enam molekul air. Fotosintesis merupakan proses di mana tanaman hijau dan beberapa gangguan (kerajaan protista), gangguan dan beberapa bentuk bakteri membuat karbohidrat dari karbondioksida, air dan garam anorganik, dengan adanya klorofil, menggunakan energi cahaya ditangkap dari matahari. Tanaman sendiri hanya perlu energi cahaya, CO2, dan H2O dalam membentuk gula. Proses fotosintesisterjadi di kloroplas, secara khusus menggunakan klorofil, klorofil merupakan pigmen hijau daun yang terlibat dalam proses fotosintesis tersebut.

   Persamaan di atas menunjukkan bahwa air merupakan sebuah reaktan dan produk fotosintesis. Karena dua belas molekul air yang di konsumsi dan enam molekul air yang dihasilkan, persamaan dapat disederhanakan seperti yang ditunjukkan di bawah ini yang merupakan rumus dari hasil fotosintesis.

6CO2 + 6H2O2 ==> (dengan energi cahaya

C5H2O6 + 6O2

1. Reaksi tergantung energi cahaya (terang)

• Tahap pertama fotosintesis adalah reaksi tergantung cahaya. Reaksi ini berlangsung pada membran tilakoid di dalam klororplas. Selama ini energi cahaya panggung diubah menjadi ATP (energi kimia) dan NADPH (mengurangi daya).
• Cahaya diserap oleh dua fotosintesis yang disebut fotosistem I dan fotosistem II. Protein kompleks ini mengandung molekul cahaya klorofil dan pigmen aksesoris yang disebut antena kompleks. Fotosistem juga dilengkapi dengan reaksi pusat. Ini adalah protein kompleks dan pigmen yang bertanggung jawab dalam konversi energi. Klorofil a pada molekul fotosistem I menyerap cahaya dengan panjang gelombang puncak 700 nm dan disebut molekul P700. Klorofil a molekul  fotosistem II menyerap cahaya dengan panjang gelombang puncak 68O nm dan disebut molekul P68O.
• Reaksi tergantung cahaya dimulai pada fotosistem II. Ketika sebuah foton cahaya yang diserap oleh molekul klorofil a (P68O) di pusat reaksi fotosistem II, sebuah elektron dalam molekul P68O menjadi lebih tinggi dari energi. Elektron menjadi tidak stabil dan dilepaskan lalu ditransfer dari satu molekul P68O ke yang lain dalam rantai transpor elektron (ETC) molekul P68O menjadi bermuatan positif pada kehilangan elektron.
• Elektron yang hilang diganti dengan cara pemisahan air dengan cahaya dalam proses tersebut yang disebut fotolisis. Air digunakan sebagai donor elektron dalam fotosintesis oksigen dan dibagi menjadi elektron (e), ion hidrogen (H+, proton) dan oksigen (O2). Ion hidrogen di bawa ke ATP dan digunakan untuk menyediakan energi yang dibutuhkan untukmenyediakan energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan ADP untuk menghasilkan ATP. Oksigen dilepaskam ke udara sebagai produk sampingan dari fotosintesis.
• Proses di mana ATP dibuat menggunakan energi matahari disebut fotofosforilasi. Jenis fotofosforilasi digunakan oleh tanaman dan cyanobacteria disebut fotofosforilasi nonsiklik. Ini tidak hanya fotosistem II, tetapi juga fotosistem I.
• Elektron dari fotosistem II diteruskan ke sitokrom b6-f kompleks dan untuk fotosistem I. Lagi, menerima energi dari foton cahaya yang diserap oleh klorofil molekul (P700). Elektron dibawa oleh rantai transpor elektron (ETC) ke NADP reduktase, yang merupakan akseptor elektron terakhir. Pada titik ini energi yang digunakan untuk menghasilkan NADPH.

2. Reaksi Tidak Tergantung Cahaya (gelap)

Tahap kedua dari fotosintesis adalah reaksi tidak tergantung cahaya.

• Nama lain yang sering diberikan untuk reaksi ini adalah siklus calvin-benson. Hal ini terjadi di stroma dari kloroplas. Selama ini energi reaksi dari ATP dan NADPH digunakan untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat seperti glukosa.
• Satu molekul karbondioksida bereaksi dengan gula 5-karbon yang disebut bifosfat (RuBP). Reaksi ini menghasilkan gula 6 karbon stabil yang segera dipecah untuk membentuk dua gula 3-karbon yang dikenal sebagai 3 phosphoglycerate (3PGA).
• 3 gula phosphoglycerate diubah menjadi gliseraldehida 3 fosfat (G3P) menggunakan energi dari ATP dan kekuatan mengurangi dari NADPH. Sebagian besar G3P yang dihasilkan digunakan untuk membuat RuBP yang kemudian digunakan untuk memulai siklus calvin-benson lagi. Beberapa G3P, bagaimanapun, digunakan untuk membuat glukosa pada tanaman yang digunakan sebagai sumber energi.

C. Jenis Proses Fotosintesis

Ada dua jenis proses fotosintesis yaitu fotosintesis oksigenik dan fotosintesis anoxygenic.

1. Fotosintesi Oksigenik

Fotosintesis oksigenik adalah yang paling umum dan terlihat pada tanaman, alga dan  cyanobacteria. Selama fotosintesis oksigenik,cahaya mentransfer energi elektron dari air (H2O) menjadi karbondioksida (CO2), yang menghasilkan karbohidrat. Dalam transfer ini, CO2 yang berkurang atau yang menerima elektron, dan air menjadi teroksidasi, atau kehilangan elektron. Pada akhirnya, oksigen di produksi bersama dengan karbohidrat. Fungsi fotosintesis oksigenik sebagai penyeimbang respirasi, dibutuhkan dalam karbondioksida yang dihasilkan oleh semua organisme bernafasdan diberikan kembali dalam bentuk oksigen ke udara. Dalam artikelnya tahun 1998, sebuah pengantar fotosintesis dan aplikasinya, Wim Vernaas, seorang profesor di arizona state university menduga, tanpa oksigen fotosintesis , oksigen di udara akan habis dalam waktu beberapa ribu tahun.

2. Fotosintesis Anoxygenic

Di sisi lain fotoaintesis anoxygenic menggunakan elektron donor selain air. Proses ini biasanya terjadi pada bakteri seperti bakteri ungu dan bakteri belerang hijau. Fotosintesis anoxygenic tidak menghasilkan oksigen, maka kata David Baum, profesor botani di university of wisconsin madison. Apa yang dihasilkan tergantung pada donor elektron. Sebagai contoh, banyak bakteri menggunakan gas telur berbau yaitu hidrogen sulfida dan sulfur memproduksi padatan sebagai produk sampingan.

D. Perangkat Fotosintesis

a. Pigmen

Proses fotosintesis tidak dapat berlangsung pada setiap sel, tetapi hanya pada sel yang mengandung pigmen fotosintetik. Sel yang tidak mempunyai pigmen fotosintetik ini tidak mampu melakukan prosesfotosintesis. Pada percobaan Jan Ingenhousz, dapat diketahui bahwa intensitas cahaya memengaruhi laju fotosintesis pada tumbuhan. Hal ini dapat terjadi karena perbedaan energi yang dihasilkan oleh setiap spektrum cahaya. Di samping adanya perbedaan energi tersebut, faktor lain yang menjadi pembeda adalah kemampuan daun dalam menyerap berbagai spektrum cahaya yang berbeda tersebut. Perbedaan kemampuan daun dalam menyerap berbagai spektrum cahaya tersebut disebabkan adanya perbedaan jenis pigmen yang terkandung pada jaringan daun. Di dalam daun terdapat mesofil yang terdiri atas jaringan bunga karang dan jaringan pagar. Pada kedua jaringan ini, terdapat kloroplas yang mengandung pigmen hijau klorofil. Pigmen ini merupakan salah satu dari pigmen fotosintesis yang berperan penting dalam menyerap energi matahari.

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. 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, sementara klorofil b menyerap cahaya biru dan oranye serta 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 di salurkan dan ditangkap oleh  akseptor elektron. Proses ini merupakan awal dari rangkaian panjang reaksi fotosintesis.

b. Kloroplas

 Kloroplas terdapat pada semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau, termasuk batang dan buah yang belum matang. Di dalam kloroplas terdapat pigmen klorofil yang berperan dalam proses fotosintesis. Kloroplas mempunyai bentuk seperti cakram dengan ruang yang disebut stroma. Stroma ini dibungkus oleh dua lapisan membran. Membran stoma ini disebut tilakoid, yang di dalamnya terdapat ruang-ruang antar membran yang disebut lokuli. Di dalam stroma juga terdapat lamela-lamela yang bertumpuk-tumpuk membentuk grana (kumpulan granum). Granum sendiri terdiri atas membran tilakoid yang merupakan tempat terjadinya reaksi terang dan ruang tilakoid yang merupakan tempat terjadinya reaksi terang dan ruang tilakoid yang merupakan ruang di antara membran tilakoid. Bila sebuah granum disayat maka akan dijumpai beberapa komponen seperti protein, klorofil a, klorofil b,karetonoid, dan lipid.

Secara keseluruhan, stroma berisi protein, enzim, DNA, RNA, gula fosfat, ribosom, vitamin-vitamin, dan juga ion-ion logam seperti mangan (Mn), besi (Fe), maupun tembaga (Cu). Pigmen fotosintetik terdapat pada membran tilakoid. Sedangkan, pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid dengan produk akhir berupa glukosa yang di bentuk di dalam stroma. Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian dari perangkat dalam fotosintesis yang dikenal sebagai fotosistem.

c. Fotosistem

Fotosistem adalah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari yang terdiri dari klorofil a, kompleks antena, dan akseptor elektron. Di dalam kloroplas terdapat 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 mengelompokkan dalam membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang berperan penting dalam fotosintesis. Klorofil a berada dalam bagian pusat reaksi. Klorofil ini berperan dalam menyalurkan elektron yang berenergi tinggi ke akseptor utama elektron. Elektron ini selanjutnya  masuk ke sistem siklus elektron. Elektron yang dilepaskan klorofil a mempunyai energi tinggi sebab memperoleh energi dari cahaya yang berasal dari molekul perangkat pigmen yang dikenal dengan kompleks antena.

Fotosistem sendiri dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Pada fotosistem I ini penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang sensitif terhadap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm sehingga klorofil a  disebut juga P700. Energi yang diperoleh P700 ditransfer dari kompleks antena. 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 dari pada P700. Dengan potensial redoks yang lebih besar, akan cukup elektron negatif untuk memperoleh elektron dari molekul-molekul air.

d.  Membran Dan Organel Fotosintesis

Protein yang mengumpulkan cahaya untuk fotosintesis dilengkapi dengan membran sel. Cara yang paling sederhana terdapat pada bakteri, yang mana protein-protein ini tersimpan di dalam membran plasma. Akan tetapi, membran ini dapat terliat dengan rapat menjadi lembaran silinder yang disebut tilakoid, atau terkumpul menjadi vesikel yang disebut membran intrakitoplasma. Struktur ini dapat mengisi sebagian besar bagian dalam sel, menjadikan membran itu memiliki area permukaan yang luas dan dengan demikian meningkatkan jumlah cahaya yang dapat diserap oleh bakteri. Pada tumbuhan dan alga, fotosintesis terjadi di organel yang disebut kloroplas. Satu sel tumbuhan biasanya memiliki sekitar 10 sampai 100 kloroplas. Kloroplas ditutupi oleh satu membran dalam fosfolipid, membran luar fosfolipid, dan membran antara kedua membran itu. Di dalam membran terdapat cairan yang disebut stroma. Stroma mengandung tumpukan (grana) tilakoid, yang merupakan tempat berlangsungnya fotosintesis. Tilakoid berbentuk cakram datar, dilapisi oleh membran dengan lumen atau ruang tilakoid di dalamnya. Tempat terjadinya fotosintesis adalah membran tilakoid, yang mengandung kompleks membran integral dan kompleks membran periferal, termasuk membran yang menyerap energi cahaya, yang membentuk fotosistem.

Tumbuhan menyerap cahaya menggunakan pigmen klorofil, yang merupakan alasan kenapa sebagian besar tumbuhan memiliki warna hijau. Selain klorofil, tumbuhan juga menggunakan pigmen seperti karoten dan xantofil. Alga juga menggunakan klorofil, namun memiliki beragam pigmen lainnya, misalnya fikosianin, karoten, dan xantofil pada alga hijau fikoeritin pada alga merah (rhodophyta) dan fukoksantn pada alga cokelat dan diatom yang menghasilkan warna yang beragam pula. Pigmen-pigmen ini terdapat pada tumbuhan dan alga pada protein antena khusus. Pada protein tersebut semua pigmen bekerja bersama-sama secara teratur. Protein semacam itu disebut kompleks panen cahaya.  Walaupun semua sel pada bagian hijau pada tumbuhan memiliki kloroplas, sebagian besar energinya diserap di dalam daun. Sel pada jaringan dalam daun, disebut mesofil, dapat mengandung antara 450.000 sampai 800.000 kloroplas pada setiap milimeter persegi pada daun. Permukaan secara sergam tertutupi oleh kutikula lilin yang tahan air yang melindungi daun dari penguapan yang berlebihan dan mengurangi penyerapan sinar biru atau ultra violet untuk mengurangi pemanasan. Lapisan epidermis yang tembus pandang memungkinkan cahaya untuk masuk melalui sel mesofil palisade tempat sebagian besar fotosintesis berlangsung.

E. Fenomena Unik Tentang Fotosintesis

   Fotosintesis sangat penting untuk menjaga kehidupan di bumi dan sebagai sumber utama energi bagi hampir semua makhluk hidup. Karbohidrat yang berasal dari fotosintesis yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman dan hewan. Fotosintesis bertanggung jawab untuk menjaga kadar oksigen di atmosfer bumi. Oksigen, yang sangat penting untuk kelangsungan hidup manusia, adalah produk sampingan dari fotosintesis. Tanaman hijau membantu untuk menyeimbangkan suhu global dengan menyerap karbondioksida yang berlebih di atmosfer bumi semua dalam upaya untuk melakukan fotosintesis sehingga banyak fenomena unik tentang fotosintesis.

Demikian penjelasan materi "Fotosintesis Tumbuhan", semoga bermanfaat.

Related Posts:

Tweet