BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Dalam
kehidupan peranan fotosintesis dan komunikasi sel sangat penting. Karena kehidupan
di bumi adalah kehidupan bertenaga surya. Kloroplas tumbuhan menangkap energy
cahaya yang telah menempuh 150 juta kilometer dari matahari yang mengubahnya
menjadi energi kimia yang disimpan dalam gula dan molekul-molekul organic lain.
Proses pengubahan ini disebut fotosintesis. Fotosintesis memberi makan hampir
seluruh dunia kehidupan, secara langsung maupun tidak. Dalam pembahasan kali
ini kami akan membahas secara ringkas mengenai fotosintesis dimana masih banyak
yang kurang memahami atau sulit dimengerti proses daripada fotosintesis.
1.2 RUMUSAN MASALAH
1.2.1
Bagaimana Fotosintesis mengubah energy
cahaya menjadi energy kimia?
1.2.2
Bagaimana proses fotosintesis reaksi
terang mengubah energy surya menjadi energy kimia dalam ATP dan NADPH?
1.2.3
Bagaimana proses siklus Calvin mengubah
ATP dan NADPH untuk mengubah CO2 menjadi gula?
1.2.4
Bagaimana mekanisme untuk fiksasi karbon
yang telah berevolusi didaerah beriklim panas dan kering?
1.3 TUJUAN
1.3.1
Untuk mengetahui Bagaimana Fotosintesis
mengubah energy cahaya menjadi energy kimia?
1.3.2
Untuk mengetahui Bagaimana proses
fotosintesis reaksi terang mengubah energy surya menjadi energy kimia dalam ATP
dan NADPH?
1.3.3
Untuk mengetahui Bagaimana proses siklus
Calvin mengubah ATP dan NADPH untuk mengubah CO2 menjadi gula?
1.3.4
Untuk mengetahui Bagaimana mekanisme
untuk fiksasi karbon yang telah berevolusi didaerah beriklim panas dan kering?.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 FOTOSINTESIS
2.1.1
FOTOSINTESIS MENGUBAH ENERGI CAHAYA MENJADI ENERGI KIMIA.
Kemampuan
organism yang luar biasa untuk menangkap energy cahaya dan menggunakannya untuk
mengerakkan sintesis senyawa-senyawa organic berasal dari organisasi struktual
dalam sel : enzim-enzim footosintetik dan molekul-molekul lain dikelompokkan
bersama dalam membrane biologis memungkinkan terlaksananya serangkaian reaksi
kimia yang dibutuhkan dgan efisien. Proses fotosintesis kemungkinan besar
bermula dalam sekelompok bakteri yang memiliki wilayah-wilayah membrane plasma
yang melipat kedalam dan mengandung kumpulan molekul semacam itu. Pada bakteri
fotosintetik yang masih ada, membrane fotosintetik yang melipat kedalam yang
berfungsi mirip dengan membrane internal kloroplas.
Kloroplas
(tempat fotosintesis pada tumbuhan), seluruh bagian hijau pada tumbuhan termasuk
batang hijau dan buah yang belum matang meiliki klorplas namun daun merupakan
tempat utama proses fotosintesis pada sebagian besar tumbuhan.
Jika
ada cahaya bagian-bagian hijau pada
tumbuhan akan mengahasilkan senyawa-senyawa organic dan oksigen dari karbon
dioksisda dan air. Dengan menggunakan rumus-rumus molekul, kita dapat merangkum
serangkaian reaksi kimia yang kompleks dalam fotosintesis dengan persamaan kimia
ini :
6
CO2 + 12 H2O + Energi Cahaya C6H12O6
+ 6 O2 + 6 H2o
Disini
kita menggunakan glukosa (C6H12O6) untuk
menyederhanankan hubungan antara fotosintesis dan respirasi, namun produk
langsung fotosintesis sebenarnya berupa gula berkarbon tiga yang dapat
digunakan untuk membuat glukosa. Air muncul dikedua sisi persmaan karena 12
molekul air dikonsumsi, sedngkan 6 molekul baru terbentuk pada saat
fotosintesis. Kita dapat menyederhanakan persamaan tersebut dengan
mengindikasikan hanya konsumsi netto air:
6 CO2 + 12 H2O +
Energi Cahaya C6H12O6
+ 6 O2
Dengan
menulis persamaan seperti ini kita dapat melihat bahwa perubahan kimia secara
keseluruhan selama fotosintesis merupakan kebalikan dari perubahan kimia
keseluruhan yang terjadi dalam respirasi seluler.
Penguraian air
Salah
satu petunjuk utama dari mekanisme fotosintesis berasal dari penemuan bahwa O2
yang dilepaskan oleh tumbuhan berasal dari H2O, bukan dari CO2.
Kloroplas memecah air menjadi hidroen dan oksigen. Sebelumya hipotesis yang
mendominasi adalah bahwa fotosintesi yang memecah karbon dioksida (CO2 C + O2 ) dan kemudian
menambahkan air ke karbon (C + H2O [CH2O]). Hipotewsis
ini memprediksi bahwa O2 yang dilepaskan selama fotosintesis berasal
dari CO2.
Van
Niel menyelidiki fotosintesis pada bakteri yang membuat karbohidartnya dari CO2
namaun tidak melepaskan O2. Dia menyimpullkan bahwa setidaknya pada
bakteri ini CO2 tidak dipecah menjadi karbon dan oksigen. Salah
asatu kelompok bakteri menggunakan hydrogen sulfide (H2S), bukan air
untuk fotosintesis. Persamaan kimia untuk fotosintesis pada bakteri sulfur
tersebut adalah :
CO2
+ H2S [CH2O]
+ H2O + 2 S
Ia
berpendapat bahwa bakteri tersebut memecah H2S dan mengguanakan atom
hydrogen unuk membuat gula. Dengan demikian van Niel menghipotesiskan bahwa
tumbuhan memecah H2O sebagai sumber elektron dari atom-atom hydrogen
dan melepaskan O2 sebagai produk sampingan.
Fotosisntesis Sebagai Proses Redoks
Selama respirasi seluler energy yang
dilepaskan dari gula ketika elektron yang beasosiasi dengan hydrogen ditransfor
oleh molekul pembawa ke oksigen, membentuk air sebagai produk sampingan.
Elektron kehilangan energy potensial saat ‘jatuh’ menuruni rantai transport
elektron menuju oksigen yang elektronegatif dan mitokondria memanfaatkan energy
tersebut untuk menyintesis ATP. Fotosintesis membalik arah aliran elektron. Air
dipecah dan elektron ditransfer bersama-sama ion hidogen dari air ke karbon
dioksida yang mereduksinya menjadi gula. Karena elektron mengalami peningkatan
energy potensial saat bergerak dari air ke gula,proses ini membutuhkan energy
atau dengan kata lain bersifat endergonik. Dorongan energy ini disediakan oleh
cahaya matahari.
2.1.2
REAKSI TERANG MENGUBAH ENERGI SURYA MENJADI ENERGI KIMIA DALAM ATP DAN NADPH
Ketika
cahaya bertemu materi, cahaya mungkin dipantulkan, diteruskan atau diserap. Zat
yang menyerap cahaya tampak dikenal sebagai pigmen.
Reaksi
terang berlangsung di dalam membran tilakoid di grana. Grana adalah struktur
bentukan membran tilakoid yang terbentuk dalam stroma, yaitu salah satu ruangan
dalam kloroplas. Di dalam grana terdapat klorofil, yaitu pigmen yang berperan
dalam fotosintesis. Reaksi terang di sebut juga fotolisis karena proses
penyerapan energi cahaya dan penguraian molekul air menjadi oksigen dan
hidrogen.
Reaksi
terang 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.
Fotosistem
tersusun atas suatu kompleks proein yang disebut kompleks pusat reaksi yang
dikelilingi oleh beberapa kompleks permanen cahaya. Kompleks pusat reaski mengandung
suatu molekul yang mampu menerima elektron dan menjadi tereduksi; molekul ini
disebut penerima elktron primer.
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
Aliran Elektron Linear
Cahaya
menggerakkan sintesis ATP dan NADPH dengan cara memberi energy pada kedua
fotosistem yang tertanam dalam membrane tilakoid kloroplas. Kunci transformasi
aliran energy ini adalah aliran elektron melalui fotosistem dan
komponen-kmponen molecular lain yang tertanam dalam membrane tilakoid. Ini
disebut aliran elektron linear yang terjadi selama reaksi terang fotosintesis.
Aliran Elektron Siklik
Aliran
yang terfotoeksiasi dapat mengambil jalur alternative yang disebut aliran
elektron siklik yang menggunakan fotosistem I namun tidak menggunakan
fotosistem II.
2.1.3
SIKLUS CALVIN MENGGUNAKAN ATP DAN NADPH UNTUK MENGUBAH CO2 MENJADI
GULA
Siklus
Calvin mirip dengan siklus asam sitrat karena materi awal dihasilkan kembali
setelah ada molekul yang memasuki dan meninggalkan siklus. Akan tetapi,
sementara siklus asama sitrat bersifat katabolik, mengoksidasi glukosa dan
menggunakan energy untuk menyintesis ATP, siklus Calvin bersifat anabolic,
membangun karbohidrat dari molekul-molekul yang lebih kecil dan mengonsumsi
energy. Karbon memasuki siklus calvin dalam bentuk CO2 dan meninggalkan
siklus dalam bentuk gula. Siklus menggunakan ATP sebagai sumber energy dan
mengonsumsi NADPH sebagai tenaga pereduksi bagi penambahan elektron berenergi
tinggi untuk membuat gula.
Karbohidrat
yang dihasilkan langsung dari siklus calvin sebenarnya bukanlah glukosa
melainkan gula karbon tiga; nama gula ini adalah gliseralhida-3-fosfat (G3P).
Untuk sintesis netto satu molekul G3P siklus calvin harus berlangsung tiga
kali, memfiksasi tiga molekul CO2.
Mekanisme siklus
Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO2
oleh ribulosa difosfat karboksilase (RuBP) membentuk 3-fosfogliserat. RuBP
merupakan enzim alosetrik yang
distimulasi oleh tiga jenis perubahan yang dihasilkan dari pencahayaan kloroplas.
Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan pH. Jika kloroplas
diberi cahaya,
ion H+ ditranspor dari stroma ke
dalam tilakoid
menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase,
terletak di permukaan luar membran
tilakoid. Kedua, reaksi ini distimulasi oleh Mg2+, yang memasuki stroma daun
sebagai ion H+, jika kloroplas diberi cahaya. Ketiga, reaksi ini distimulasi
oleh NADPH, yang dihasilkan oleh fotosistem I
selama pemberian cahaya.
Fiksasi CO2 ini
merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan kloroplas. Fikasasi CO2 melewati
proses karboksilasi, reduksi,
dan regenerasi. Karboksilasi melibatkan
penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(3-PGA).
Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi 1
gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3-Pgaldehida).
Reduksi
ini tidak terjadi secara langsung, tapi guguskarboksil
dari 3-PGA pertama-tama diubah menjadi ester jenis anhidrida asam pada
asam 1,3-bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terakhir
dari ATP.
ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan
ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat
menjadi ATP oleh reaksi fotofosforilasi tambahan. Bahan pereduksi yang
sebenarnya adalah NADPH, yang menyumbang 2 elektron. Secara
bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali untuk mengubah ADP menjadi ATP.
Pada fase regenerasi,
yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk bereaksi dengan
CO2 tambahan yang berdifusi secarakonstan ke
dalam dan melalui stomata.
Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap molekul
CO2 yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi
RuBP, kemudian daur dimulai
lagi.
Tiga
putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO2 dan produk akhirnya
adalah 1,3-Pgaldehida. Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati,
sebagian lainnya dibawa keluar. Sistem ini membuat jumlah total fosfat
menjadi konstan di kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat
di sitosol. Triosa
fosfat digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa.
2.1.4
MEKANISME ALTERNATIF UNTUK FIKSASI KARBON TELAH BEREVOLUSI DI DAERAH BERIKLIM
PANAS DAN KERING
Sejak
pertama kali tumbuhan berpindah kedaratan sekitar 475 juta tahun silam tumbuhan
telah beradaptasi terhadap masalah-masalah kehidupan darat, terutama maslah
dehidrasi. Pemecahan masalah tersebut sering kali melibatkan barter. Salah satu
contoh yang penting adalah kompromi antara fotosintesis dan pencegahan
kehilangan air secara berlebihan pada tumbuhan. CO2 yang dibutuhkan
untuk fotosintesis memasuki daun melalui stomata, pori-pori pada permukaan
lain. Akan tetapi, stomata juga merupakan jalan utama transpirasi, yaitu
kehilangan air melalui penguapan dari daun. Pada hari yang panas dan kering,
sebagian besar tumbuhan menutup stomatanya, sebagai respons utnuk
mempertahankan air. Reasons ini juga menurunkan hasil proses fotosintesis
karena membatasi akses ke CO2. Bahkan dengan stomata yang tertutup
sebagian, konsentrasi CO2 mulai menurun di rongga-rongga udara dalam
daun dan konsentrasi O2 yang dilepaskan dari reaksi terang mulai
meningkat. Kondisi-kondisi dalam daun ini mengarah pada proses yang tampaknya
sia-sia, yang disebut fotorespirasi.
Fotorespirasi
merupakan proses yang terjadi saat ada cahaya (foto) danb mengonsumsi O2
sambil menghasilkan CO2 (respirasi). Akan tetapi, tidak seperti
respirasi seluler normal, fotorespirasi tidak menghasilkan ATP; faktanya
fotorespirasi justru mengonsumsi ATP. Tidak seperti fotosintesis, fotorespirasi
tidak menghasilkan gula. Fotorespirasi bahkan menurunkan keluaran fotosintesis
karena mengambil materi organic dari siklus Calvin dan melepaskan CO2
yang seharusnya difiksasi.
Berdasarkan
cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat
dibedakan menjadi tumbuhan C3 dan C4. Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang
berasal dari daerah subtropis. Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan
pengolahan CO2 melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco
sebagai penambat CO2.
Tumbuhan
C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa. Namun, ATP ini
dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi
jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat
CO2 tetapi menambat O2. Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan
di daerahtropis.
Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2 menjadi glukosa.
Enzim
phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan mengikat
CO2 dari udara dan kemudian akan menjadioksaloasetat.
Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi
piruvat dan CO2. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan
CO2 akan masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle
sheath dan melibatkan enzim RuBP. Proses ini dinamakan siklus Hatch
Slack, yang terjadi di sel mesofil. Dalam
keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.
Tumbuhan
CAM (Crassulacean Acid Metabolism/ Metabilsme Asam Krasulasea) membuka
stomatanya pada malam hari dan menutupnya pada siang hari, berlawanan dengan
tumbuhan lain. Stomata yang tertutup pada siang hari membantu tumbuhan gurun
mempertahankan air namun juga mencegah CO2 memasuki daun. Pada malam
hari ketika stomatanya terbuka, tumbuhan ini mengambil CO2 dan
mengubahnya kedalam berbagai asam organic. Sel mesofil tumbuhan CAM menyimpan
asam organic yang dibuatnya pada malam hari dalam vakuolanya sampai pagi hari,
kerika stomata tertutup. Pada siang hari, ketika reaksi terang dapat menyuplai
ATP dan NADPH untuk siklus Calvin, CO2 dilepaskan dai asam organic
yang dibuat pada malam sebelumnya untuk digabungkan kedalam gula di
kloroplas.
BAB III
PENUTUP
1.1 KESIMPULAN
Dari pembahasan diatas kami dapat
menyimpulkan bahwa Fotosintesis adalah proses
pembuatan energi atau zat makanan/glukosa yang berlangsung atas peran cahaya
matahari (photo = cahaya, synthesis = proses pembuatan/pengolahan) dengan
menggunakan zat hara/mineral, karbon dioksida dan air. Fotosintesis berlangsung
dalam dua tahap, yaitu reaksi terang (memerlukan cahaya matahari) dan reaksi
gelap (tidak memerlukan cahaya matahari). Pada tahap pertama, reaksi terang atau reaksi
cahaya menyerap energi cahaya dan menggunakannya untuk menghasilkan
molekul penyimpan energi ATP dan NADPH.
Pada tahap kedua, reaksi gelap menggunakan produk ini untuk menyerap
dan mengurangi karondioksida. Factor yang mempengaruhi fotosintesis adalah
intensitas cahaya, konsentrasi karbon dioksida, suhu, kadar air, kadar
fotosintat dan tahap pertumbuhan.
DAFTAR
PUSTAKA
-. -. Fotosintesis. (id.wikipedia.org/wiki/Fotosintesis)
-. 2012. Pengertian, Fungsi dan Proses
Fotosintesis. (http://blog.codingwear.com/bacaan-70-Pengertian,-Fungsi-dan-Proses-Fotosintesis.html, diakses pada tanggal 14 Maret 2012).
-.
2011. Proses Fotosintesis. (http://id.shvoong.com/exact-sciences/biology/2117549-proses-fotosintesis/, diakses pada
Tags
MAKALAH BIOLOGI