CAMPBELL-REECE : Pendahuluan Reaksi Terang dan Reaksi Gelap

Persamaan fotosintesis yang kita ketahui dapat dikatakan sebagai sebuah rangkuman dari proses yang sangat kompleks. Sebenarnya fotosistesis bukan merupakan sebuah proses yang tunggal, namun terdiri dari dua proses yang masing-masing terdiri dari beberapa langkah. Kedua proses tersebut dikenal sebagai reaksi terang (light reaction) dan reaksi gelap atau siklul Calvin.

Dalam reaksi terang terjadi pengubahan energi cahaya matahari menjadi energi kimia. Air dipecah menjadi sumber elektron dan proton (H⁺), serta melepaskan oksigen (O₂) sebagai produk sampingan. Cahaya yang diserap oleh klorofil menggerakkan elektron dan ion hidrogen menuju penerima yang dinamakan NADP⁺, sebagai tempat penyimpanan kedua partikel tersebut untuk sementara.

NADP⁺ merupakan kerabat dekat NAD⁺ yang berfungsi sebagai pembawa elektron pada respirasi seluler. Energi cahaya mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH dengan menambahkan sepasang elektron bersama dengan ion hidrogen. Selain itu reaksi terang juga menghasilkan ATP menggunakan kemiosmosis untuk memberikan tenaga pada penambahan gugus fosfat kepada ADP, proses ini dinamakan fotofosforilasi. Sehingga energi cahaya awalnya diubah menjadi dua senyawa NADPH dan ATP.

Siklus yang kedua adalah siklus Calvin (reaksi gelap). Siklus ini diawali dengan penggabungan karbon dioksida dari udara ke dalam molekul organik yang ada dalam kloroplas, proses ini dinamakan dengan fiksasi karbon. Kemudian mereduksi karbon dioksida tersebut menjadi karbohidrar dengan menambahkan elektron.

Tenaga pereduksi dalam fiksasi karbon dihasilkan dari NADPH dari reaksi terang. Selain itu, untuk membentuk karbohidrat siklus Calvin juga membutuhkan energi kimia, dan hal tersebut didapatkan dari ATP yang juga dibentuk pada reaksi terang. Dengan demikian siklus Calvin yang membentuk gula, namun hal tersebut hanya dapat dilakukan dengan bantuan NADPH dan ATP yang dihasilkan pada reaksi terang.

Siklus Calvin dinamakan reaksi gelap karena tidak membutuhkan cahaya matahari, namun sebagian besar siklus Calvin terjadi pada siang hari. Hal ini dikarenakan pada siang hari reaksi terang dapat menghasilkan NADPH dan ATP yang diperlukan pada siklus Calvin. Dengan demikian kloroplas menggunakan cahaya matahari untuk membuat gula dengan cara mengoordinasikan siklus terang dan siklus Calvin.

Seperti yang telah diketahui reaksi terang berlangsung di tilakoid, sedangkan reaksi gelap berlangsung di stroma. Dalam tilakoid molekul NADP⁺ mengambil elektron dan ADP mengambil fosfat. Hasilnya adalah NADPH dan ATP yang dilepaskan ke stroma, yang selanjutnya digunakan oleh siklus Calvin untuk membentuk gula.

CAMPBELL-REECE : Perjalanan Atom dalam Fotosintesis

Selama berabad-abad, para Ilmuwan telah berusaha untuk memahami proses pembentukan makanan pada tumbuhan. Walaupun beberapa langkah masih belum bisa dipahami, namun persamaan fotosintetik telah ditemukan sejak tahun 1800-an. Proses fotosintesis dipahami jika ada cahaya, bagian tumbuhan yang hijau akan menghasilkan senyawa organik dan oksigen dari karbon dioksida dan air.

Dengan menggunakan rumus molekul maka serangkaian reaksi kimia yang berada dalam proses fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut :

Dari rumus kimia diatas, kita mengetahui bahwa keseluruhan perubahan kimia selama fotosintesis merupakan kebalikan dari proses respirasi selular. Namun kloroplas tidak hanya sekedar mensintetis gula hanya dengan sekedar membalikkan proses respirasi.

Jika rumus kimia fotosintesis kita bagi dengan 6,  maka akan diperoleh bentuk yang paling sederhana :

 

Tanda kurung siku pada persamaan diatas mengindikasikan bahwa CH2O bukan merupakan gula sungguhan, namun representasi dari rumus umum karbohidrat. Kita dapat membayangkan bahwa sintesis suatu molekul glukosa adalah satu karbon demi satu karbon. Sehingga secara teoritis pengulangan selama enam kali akan menghasilkan satu molekul glukosa.

Penguraian Air

Salah satu petunjuk dari mekanisme fotosintesis adalah bahwa penemuan oksigen (O2) yang dihasilkan adalah berasal dari air (H2O) dan bukan berasal dari karbon dioksida (CO2). Sebelum penemuan ini, hipotesis tentang fotosintesis menyatakan bahwa dalam proses fotosintesis karbon dioksida dipecah dan ditambahkan air kedalam atom C.  Dalam hipotesis ini oksigen yang dilepaskan selama proses fotosintesis berasal dari karbon dioksida.

Namun pada tahun 1930-an, hipotesis ini mendapat tentangan dari Standford University oleh C. B. van Niel. Dia menyelidiki bahwa fotosintesis dari bakteri yang menghasilkan karbohidrat dari CO2, namun tidak melepaskan oksigen. Sehingga dia menyatakan bahwa setidaknya pada bakteri ini karbon dioksida tidak dipecah menjadi karbon dan oksigen.

Salah satu kelompok bakteri lain menggunakan hidrogen sulfida (H2S) untuk fotosintesis, dan tidak menggunakan air. Pada proses ini terbentuk globula sulfur berwarna kuning sebagai zat yang dikeluarkan.

Dengan demikian Van Niel membuat hipotesis bahwa tumbuhan memecah air (H2O) sebagai sumber elektron dari atom-atom hidrogen dan melepaskan O2 sebagai produk sampingan.

Selama hampir 20 tahun para ilmuwan mengonfirmasi hipotesis Van Niel dengan menggunakan oksigen-18, sejenis isotop berat sebagai perunut untuk mengetahui keadaan oksigen selama fotosintesis.

Hasil yang signifikan dari penataan ulang atom selama fotosintesis adalah ekstraksi hidrogen dari air dan penggabungan hidrogen tersebut kedalam gula, sedangkan oksigen sebagai zat buangan dari proses fotosintesis dilepaskan ke atmosfer.

Fotosintesis sebagai proses redoks

Jika kita membandingkan proses fotosintesis dengan respirasi selular, ternyata kedua proses tersebut melibatkan reaksi redoks didalamnya. Dalam respirasi selular, energi dilepaskan dari gula ketika elektron yang berasosiasi dengan hidrogen ditranspor oleh molekul pembawa ke oksigen dan membentuk air sebagai produk sampingan. Elektron kehilangan energi selama menuruni rantai transpor elektron dan mitokondria menggunakan hal tersebut untuk mensintesis ATP.

Sedangkan pada fotosintesis arah aliran elektron dibalikkan. Air dipecah dan elektron bersama ion hidrogen ditransfer ke karbon dioksida, sehingga karbon dioksida tereduksi menjadi gula. Karena elektron mengalami peningkatan energi potensial selama bergerak dari air ke gula, sehingga proses ini membutuhkan energi atau bersifat endergonik. Dorongan energi ini disediakan oleh cahaya matahari.

CAMPBELL-REECE : Kloroplas

Organisme memiliki kemampuan menakjubkan dikarenakan dapat menangkap energi cahaya dan menggunakannya untuk menggerakkan proses sisntesis senyawa-senyawa organik, dan proses ini berasal dari organisasi struktural di dalam sel.

Enzim-enzim fotosintetik dan molekul lain dikelompokkan dalam membran biologis yang memungkinkan terlaksananya serangkaian reaksi kimia yang dibutuhkan dengan efisien. Proses fotosintesis kemungkinan berawal dari sekelompok bakteri yang memiliki wilayah-wilayah membran plasma yang melipat ke dalam dan mengandung kumpulan molekul untuk fotosintesis. Pada bakteri fotosintetik yang masih ada, membran fotosintetik yang melipat ke dalam berfungsi mirip dengan membran internal kloroplas.

Seluruh bagian tumbuhan yang hijau termasuk batang dan buah yang belum matang mengandung kloroplas, namun daun merupakan tempat utama terjadinya fotosintesis pada sebagian besar tumbuhan. Terdapat sekitar setengah juta kloroplas per milimeter persegi permukaan daun.

Warna hijau daun berasal dari Klorofil (chlorophyll) yang terletak di dalam kloroplas. Energi cahaya yang diserap oleh klorofil menggerakkan sintesis molekul dalam kloroplas. Kloroplas utamanya ditemukan di mesofil daun, yaitu jaringan di internal daun.

Karbon dioksida dan oksigen memasuki daun melalui pori-pori mikroskopik yang dinamakan stomata. Air dari dalam tanah diangkut melalui pembuluh xylem menuju daun, sedangkan hasil fotosintesis diedarkan ke seluruh bagian tumbuhan melalui pembuluh floem.

Sel mesofil biasanya memiliki 30 sampai 40 kloroplas. Di dalam kloroplas terdapat stroma yang diselubungi oleh dua selaput membran, stroma merupakan cairan kental di dalam kloroplas. Selain stroma, terdapat suatu sistem rumit yang yang terdiri dari kantong-kantong membran yang saling terhubung dinamakan tilakoid (thylakoid). Kantong-kantong tilakoid tersebut tertumpuk membentuk grana, klorofl terdapat di dalam membran tilakoid.

Untuk bagaimana proses fotosintesis berjalan, akan kita bahas pada postingan selanjutnya. Terima kasih.

Series Tulisan CAMBELL-REECE 2022 : Fotosintesis

 

Memasuki tahun 2022 perlu adanya semangat baru dalam menulis, hal ini dikarenakan jumlah tulisan saya di tahun 2021 tidak lebih banyak daripada tulisan saya di tahun 2020. Ditahun 2020 saya cukup produktif sampai menghasilkan 50 postingan blog, sedangkan di tahun 2021 saya hanya mampu membuat setengahnya.

Setelah saya analisis penyebabnya adalah pada diri saya sendiri. Seperti yang pernah diungkapkan Jaya Setiabudi, bahwa musuh terbesar dari sebuah kesuksesan ada dua, yaitu "Tapi" dan "Nanti". secara umum musuh terbesar saya dalam menulis adalah kemalasan dan inkonsistensi.

Yang akan saya lakukan sekarang adalah menantang diri saya untuk lebih produktif lagi dalam menulis, sebagai langkah awal saya akan berusaha membuat tulisan di blog ini sebanyak tiga postingan per minggu selama dua bulan pertama di tahun 2022. Di bulan selanjutnya frekuensinya akan saya naikkan menjadi empat postingan per minggu. Semoga hal ini dapat saya laksanakan dengan baik dan konsisten.

Di tahun 2022 ini saya akan mencoba membahan bab baru dari buku biologi Cambell-Reece yaitu tentang Fotosintesis. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa proses Fotosintesis terjadi pada organisme yang memiliki kloroplas, sebagian bersar organisme ini adalah tumbuhan. Secara sederhana fotosintesis dapat dikatakan sebagai sebuah proses mengubah karbondioksida dan air sehingga menghasilkan produk yang bernama glukosa. Glukosa inilah yang digunakan sebagai bahan bakar dalam proses respirasi seluler untuk menghasilkan energi berupa ATP.

Dalam memperoleh makanan organisme terbagi menjadi dua jenis yaitu Autotrof dan Heterotrof. Organisme autotrof adalah organisme yang mampu membuat makanan atau sumber energi sendiri, organisme tersebut adalah yang mampu melakukan fotosintesis. Sedangkan organisme heterotrof adalah organisme yang memperoleh makanan atau sumber energi dari organisme lain.

Tumbuhan merupakan salah satu contoh organisme autotrof. Dalam tingkatan trofik, tumbuhan bertidak sebagai produsen di tingkatan trofik pertama. Sedangkan organisme heterotrof dapat berupa organisme herbivora (pemakan tumbuhan) dan organisme karnivora (pemakan hewan atau daging). Dalam tingkatan trofik organisme heterotrof bertindak sebagai konsumen dan menempati tingkatan trofik ke dua dan seterusnya.

Mungkin ini adalah pengantar sederhana tentang fotosintesis yang akan saya tulis selanjutnya dengan mengacu pada buku biologi Cambell-Reece. Pembahasan lebih mendalam akan saya tuliskan pada postingan berikutnya. InsyaAllah dan semoga konsisten.