Fotosintesis

Fotosintesis – suatu proses dimana karbon dioksida (CO₂)  dan air (H₂O) digunakan untuk menghasilkan  karbohidrat dan  dengan adanya cahaya matahari dan khlorofil akan melepaskan oksigen (O₂); hasil bersihnya adalah energi cahaya  (radiant energy) diubah menjadi energi kimia dalam bentuk senyawa karbon ( karbohidrat).

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.

Unsur Hara Utama & FS

•         N - khlorofil, asam amino, protein

•         Mg - khlorofil, ATP, co-factor

•         Fe – sintesis khlorofil, transport elektron

•         Zn - sintesis khlorofil, co-factor

•         Mn – oksidasi air & evolusi O₂, co-factor

•         Cl - oksidasi air & evolusi O₂

•         Cu – transport elektron

•         K – gerakan stomata, co-factor

•         P - gula-P, ATP

Fotosintesis pada tumbuhan

Tumbuhan hijau daun bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat memasak atau mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik. Tumbuhan menyerap karbondioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis.

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 adalah kebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbondioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menyerap cahaya karena mempunyai pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplast. klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Sebagian besar energi fotosintesis dihasilkan di daun tetapi juga dapat terjadi pada organ tumbuhan yang berwarna hijau. 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.

Reaksi- Reaksi pada proses fotosintesis

Proses fotosintesis masih terus diselidiki 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 kloroplast 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

Di dalam membram tilakoid  pada granum, air dipecah untuk menghasikan oksigen (dilepas sebagai hasil antara), elektron (e-) dan ion hidrogen (H+). Setiap elektron kemudian diserap oleh khlorofil, yang juga menyerap cahaya (energi radiasi) untuk menjadikan elektron “kaya energi”.  Elektron yang telah “diperkaya” akan lepas dari khlorofil menuju “electron carriers” dalam rantai transpor elektron.  Selama elektron ditransport, dihasilkan gradien energi (menggunakan H⁺) yang mengakibatkan enzim (ATPase) dapat membuat ATP.  Pada saat elektron mencapai akhir rantai, akan ditangkap oleh NADP⁺ yang bertindak sebagai pembawa elektron terakhir yang akan menggunakan sisa energi didalam elektron untuk mengahsilkan NADPH.  Jadi, energi radiasi (mis. light) digunakan untuk menghasilkan energi kimia metabolik (ATP and NADPH).  “HEBAT", tanaman telah membuat energi kimia dari energi cahaya !  Tetapi masih ada masalah.  ATP dan NADPH berumur pendek dan tidak mudah disimpan atau diangkut ke tempat yang memerlukan.  Tanaman harus menemukan cara untuk menyelamatkan energi ini dan untuk ini diperlukan Reaksi Gelap.

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 

Enzim yang penting (ribulose-bisphosphate carboxylase atau rubisco) akan menggabungkan gula 5-C  dengan molekul CO₂ untuk menghasilkan senyawa dengan 6-C yang kemudian segera pecah menjadi 2 buah gula dg 3-C.  Gula ini tidak begitu berguna bagi tanaman shg melalui serangkaian reaksi akan diubah menjadi gula lain yg disebut triose phosphates.  Proses ini memerlukan energi metabolik, yang diambil dari ATP and NADPH yang dihasilkan melalui Reaksi Terang.   Triose phosphate digunakan untuk menghasilkan glukosa dan gula lainnya atau disimpan dalam bentuk gula pati.  Akhirnya, “Benar-benar HEBAT" , tanaman telah menghasilkan bentuk energi kimia yang stabil, mudah diangkut dan disimpan yaitu gula.   Untuk keberlanjutan siklus ini, beberapa triose phosphate harus digunakan untuk diubah menjadi gula 5-C, dan ini juga memerlukan energi dalam bentuk ATP yang disuplai dari Reaksi Terang.  Reaksi Gelap akan terus berjalan sepanjang Reaksi Terang tetap mensuplai dengan energi dalam bentuk ATP dan NADPH, jadi Reaksi Gelap hanya terjadi pada siang hari !

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 yang menentukan kecepatan fotosintesis

Beberapa faktor yang menentukan kecepatan fotosintesis:

1. Cahaya
   Komponen-komponen cahaya yang mempengaruhi kecepatan laju fotosintesis adalah intensitas, kualitas dan lama penyinaran. Intensitas adalah banyaknya cahaya matahari yang diterima sedangkan kualitas adalah panjang gelombang cahaya yang efektif untuk terjadinya fotosintesis.
2. Konsentrasi karbondioksida

Semakin banyak karbondioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapat 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.

Tugas:

1. Oksigen yang dilepaskan pada fotosintesis berasal dari salah satu bahan mentah yang digunakan tumbuhan. Jelaskan?
2. Jelas kan Reaksi terang dan reaksi Gelap
3. Bandingkan autotrof dengan heterotrof
4. Warna cahaya apa yang paling sedikit diserap daun hijau?
5. Apakah menurut pendapat anda, laju fotosintesis akan terus meningkat secara tak terbatas dengan meningkatnya temperatur? Jelaskan?