Proses Fotosintesis dan Cara Mudah Menghafalkannya
Friday, July 28, 2017
Anabolisme adalah mekanisme reaksi metabolisme yang berupa penyusunan molekul sederhana menjadi molekul yang kompleks. Salah satu contoh peristiwa anabolisme yakni proses fotosintesis pada tumbuhan. Fotosintesis adalah proses fisika biokimiawi yang menghasilkan bahan organik dari bahan anorganik stabil dengan bantuan cahaya matahari. Pengertian fotosintesis lainnya yakni suatu proses yang di dalamnya energi cahaya ditangkap dan digunakan untuk membentuk karbohidrat (C6H12O6). Zat yang dibutuhkan pada proses fotosintesis adalah cahaya matahri, CO2 dan H2O. Adapun persamaan reaksi fotosintesis adalah sebagai berikut:
6 CO2 + 6 H2O + cahaya matahari ➡ C6H12O6 + 6 O2
Manfaat fotosintesis yakni:
- Mengubah energi cahaya menjadi energi kimiawi.
- Mengubah karbondioksida hasil respirasi menjadi karbohidrat.
- Menghasilkan oksigen, yang diperlukan bagi organisme hidup.
- Menghasilkan kerangka karbon yang menjadi bahan dasar pembentukan senyawa organik lain.
Baca juga: Materi Metabolisme (Katabolisme) dan Cara Mudah Menghafalkannya
Kloroplas & Klorofil
Sebelum memahami mekanisme fotosintesis lebih detail, maka hal dasar yang perlu diketahui adalah memahami anatomi daun dan struktur kloroplas yang merupakan tempat fotosintesis berlangsung. Di dalam daun terdapat dua jaringan mesofil yakni mesofil palisade (tiang) dan mesofil bunga karang (spons). Jaringan mesofil adalah jaringan yang mengandung organel kloroplas (gambar 1). |
| Gambar 1. Anatomi Daun (Campbell, 2017). |
Bagian-bagian Kloroplas
Kloroplas adalah organel yang ditemukan pada tumbuhan dengan fungsi sebagai alat fotosintesis. Di dalam kloroplas terdapat pigmen klorofil (zat hijau daun).
Kloroplas memiliki dua lapis membran yang di dalamnya berisi cairan stroma dan berisi tumpukan keping yang disebut grana. Tiap keping penyusun grana disebut tilakoid (gambar 2)
 |
| Gambar 2. Bagian-bagian kloroplas (Campbell, 2017) |
_____________
Konsep Penting
Kloroplas = Organel sel tumbuhan untuk fotosintesis
Klorofil = pigmen atau zat hijau daun pada kloroplas
Stroma = cairan kloroplas
Grana = struktur tumpukan kepingan /cakram
Tilakoid = satu keping / cakram dari grana
Lumen = rongga di dalam tilakoid
Bagian-bagian Klorofil
Jika kita perjelas lagi mengenai tilakoid maka bagian membrannya tersusun atas reseptor cahaya yang disebut pigmen fotosintesis atau dikenal dengan molekul klorofil. Pigmen klorofil terdiri atas klorofil a dan b yang memiliki srtukur kepala berupa cincin porfirin (gambar 3). Klorofil efektif menyerap cahaya merah dan biru (gambar 4).
Peranan klorofil sangat penting dalam reaksi pertama saat fotosintesis. Klorofil berfungsi menyerap foton (energi matahari) yang kemudian diubah menjadi energi kimiawi. Pada saat molekul klorofil menyerap foton, maka elektron akan tereksitasi sehingga menjadi energi potensial elektron yang lebih tinggi. Elektron tersebut berfungsi untuk menghasilkan energi ATP yang digunakan untuk reaksi fotosintesis.
Pigmen selain klorfil yakni karotenoid yang semuanya memiliki kemampuan yang baik untuk mengabsorpsi panjang gelombang cahaya matahari. Berikut adalah kurva mengenai kemampuan klorofil a, klorofil b, dan karotenoid dalam menyerap panjang gelombang.
Fotosistem
Setiap membran tilakoid jika diamati, maka terdapat antena penangkap cahaya matahari yang disebut fotosistem. Apa hubungan antara fotosistem dengan pigmen klorofil? Fotosistem adalah kumpulan ratusan pigmen fotosintesis seperti klorofil a, klorofil b, dan karotenoid menjadi satu unit sistem sebagai pengumpul cahaya. Selain pigmen fotosintesis juga terdapat protein dan molekul lain seperti antena molekul pigmen.
Ketika ada foton, maka akan ditangkap oleh molekul dan protein yang kemudian diteruskan ke pusat reaksi. Dalam fotosistem terdapat pusat reaksi yang berupa sepasang klorofil a yang berfungsi sebagai reaksi pertama fotosintesis. Reaksi pertama tersebut menghasilkan energi elektron yang kemudian terjadi transfer elektron molekul khusus yakni akseptor elektron primer (gambar 5).
Gambar diagram kompleks fotosistem jika diamati dari samping maka akan terlihat seperti pada gambar 6. Kompleks selain fotosistem di bagian membran tilakoid adalah partikel CF1 yang berfungsi untuk membentuk ATP.
Terdapat dua macam fotosistem dalam membran tilakoid, yakni fotosistem I dan fotosistem II. Berikut masing-masing penjelasan mengenai kedua fotosistem tersebut:
 |
| Gambar 3. Molekul klorofil sebagai pigmen fotosintesis |
Peranan klorofil sangat penting dalam reaksi pertama saat fotosintesis. Klorofil berfungsi menyerap foton (energi matahari) yang kemudian diubah menjadi energi kimiawi. Pada saat molekul klorofil menyerap foton, maka elektron akan tereksitasi sehingga menjadi energi potensial elektron yang lebih tinggi. Elektron tersebut berfungsi untuk menghasilkan energi ATP yang digunakan untuk reaksi fotosintesis.
Pigmen selain klorfil yakni karotenoid yang semuanya memiliki kemampuan yang baik untuk mengabsorpsi panjang gelombang cahaya matahari. Berikut adalah kurva mengenai kemampuan klorofil a, klorofil b, dan karotenoid dalam menyerap panjang gelombang.
 |
| Gambar 4. Kemampuan absorpsi pigmen fotosintesis (Campbell, 2017) |
Fotosistem
Setiap membran tilakoid jika diamati, maka terdapat antena penangkap cahaya matahari yang disebut fotosistem. Apa hubungan antara fotosistem dengan pigmen klorofil? Fotosistem adalah kumpulan ratusan pigmen fotosintesis seperti klorofil a, klorofil b, dan karotenoid menjadi satu unit sistem sebagai pengumpul cahaya. Selain pigmen fotosintesis juga terdapat protein dan molekul lain seperti antena molekul pigmen.
Ketika ada foton, maka akan ditangkap oleh molekul dan protein yang kemudian diteruskan ke pusat reaksi. Dalam fotosistem terdapat pusat reaksi yang berupa sepasang klorofil a yang berfungsi sebagai reaksi pertama fotosintesis. Reaksi pertama tersebut menghasilkan energi elektron yang kemudian terjadi transfer elektron molekul khusus yakni akseptor elektron primer (gambar 5).
 |
| Gambar 5. Diagram aliran foton |
Gambar diagram kompleks fotosistem jika diamati dari samping maka akan terlihat seperti pada gambar 6. Kompleks selain fotosistem di bagian membran tilakoid adalah partikel CF1 yang berfungsi untuk membentuk ATP.
 |
| Gambar 6. Kompleks fotosistem (Campbell, 2017). |
Terdapat dua macam fotosistem dalam membran tilakoid, yakni fotosistem I dan fotosistem II. Berikut masing-masing penjelasan mengenai kedua fotosistem tersebut:
- Fotosistem I (P I) memiliki pusat reaksi yang dikenal dengan P700 karena pigmennya mampu menyerap panjang gelombang 700 nm (spektrum sangat merah)
- Fotosistem II (P II) memiliki pusat reaksi yang dikenal dengan P680 karena pigmennya mampu menyerap panjang gelombang 680 nm (spektrum merah).
Setelah membaca pada sub-bab mengenai kloroplas, maka untuk mempermudah pemahaman mengenai materi kloroplas silahkan mempelajari peta konsep di bawah ini:
PETA KONSEP KLOROPLAS
Mekanisme Reaksi Fotosintesis
Reaksi utama fotosintesis terdiri dari dua tahapan yakni reaksi fotosintesis gelap dan terang. Kedua reaksi tersebut berbeda dalam hal tempat reaksi, hasil, dan waktu terjadinya. Secara umum mekanisme urutan proses fotosintesis yakni:- Penangkapan cahaya matahari oleh klorofil.
- Pemisahan molekul air, pelepasan elektron energi tertinggi dan O2.
- Transfer elektron kemudian membuat energi kimia dalam bentuk ATP dan tenaga reduksi seperti NADPH2.
- Penggunaan ATP dan NADPH2 untuk fiksasi CO2 dan kemudian membentuk gula.
Reaksi Terang
Reaksi terang adalah bagian awal dari proses fotosintesis yang membutuhkan cahaya matahari. Reaksi terang disebut juga dengan fotofosforilasi dan terjadi Reaksi Hill (transfer elektron). Hal dibutuhkan dalam reaksi terang yakni molekul air dan cahaya matahari. Hasil dari reaksi terang yakni berupa energi ATP dan NADPH2 yang akan digunakan untuk reaksi gelap. Berikut adalah skema siklik dan nonsiklik mengenai reaksi terang yang disajikan dalam berbagai gambar berikut:
 |
| Gambar 7. Mekanisme Fotosintesis |
- Penangkapan energi cahaya oleh kloroplas tepatnya di fotosistem dan kemudian terjadi fotolisis air (pemecahan molekul air): H2O ➡ 2 e− + ½ O2 + 2 H+
- Tenaga yang berasal dari cahaya matahari mengaktifkan elektron di klorofil sehingga elektron bergerak sepanjang rantai oksidasi yang terdapat di membran tilakoid. Proses pemindahan elektron memompa proton (H+) melewati membran tilakoid.
- Lintasan elektron berakhir di molekul NAD+ yang kemudian elektron berenergi tinggi tersebut diubah menjadi NADPH2.
- Sementara H+ (proton) berpindah dari lumen ke stroma melalui partikel CF1 dan kemudian terbentuk ATP.
Sumber gambar: Campbell (2017)
Pada pembentukan tenaga ATP dan NADPH di kloroplas, terdapat dua jalur aliran elektron. Jalur-jalur tersebut adalah jalur siklik dan non siklik. Pada tumbuhan, jalur siklik berlangsung bersama-sama dengan jalur nonsiklik. Aliran elektron siklik pada reaksi terang ditemukan pada organisme seperti bakteri fotosintetik, ganggang, dan semua tumbuhan. Perbedaan aliran elektron siklik dan nonsiklik pada reaksi terang fotosintesis dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. Fotofosforilasi Siklik
Jalur fotofosforilasi siklik adalah proses yang melibatkan hanya satu fotosistem (PI) dan hanya menghasilkan ATP tanpa NADPH dan O2. Pengertian siklik yakni elektron mengalami perputaran kembali ke pusat reaksi. Jalur ini disebut siklik karena elektron (e−) bertenaga tinggi yang meninggalkan klorofil pusat reaksi, kembali ke pusat reaksi tersebut setelah melalui rantai pemindah elektron.
b. Fotofosforilasi Non Siklik
Jalur fotofosforilasi non siklik adalah proses yang melibatkan Fotosistem I dan II serta menghasilkan ATP, NADPH dan O2. Ciri fotofosforilasi nonsiklik pada fotosintesis yakni jalurnya tidak mengalami siklus. Mekanisme jalur nonsiklik berlangsung sebagai berikut: foton mengenai kompleks antena fotosistem II, elektron (e−) bertenaga tinggi berpindah ke fotosistem I melewati rantai pemindah elektron.
Adapun mekanisme rincinya yakni pada saat foton memberikan energinya ke Fotosistem II (P680), maka terjadi pemecahan air dan terjadi perpindahan elektron dari pusat reaksi menuju ke akseptor elektron primer. Perjalanan elektron selanjutnya melewati serangkian reaksi di sepanjang kompleks sitokrom. Selama perjalanan tersebut energi elektron digunakan untuk memompa proton (H+) dari stroma menuju lumen untuk baku pembuatan ATP secara kemiosmotik.
Selanjutnya perjalanan elektron menuju ke Fotosistem I (P700) yang pada saat ini foton juga mengaktifkan pigmen fotosintesis untuk eksitasi elektron yang berasal dari Fotosistem II. Elektron yang berasal dari molekul klorofil di pusat reaksi fotosistem I tersebut kemudian meyalurkan energinya ke feredoksin (Fd) yang kemudian digunakan untuk membentuk NADPH.
Jalur aliran nonsiklik ini menyebabkan Fotosistem II kehilangan elektronnya karena jalurnya berakhir untuk membentuk NADH. Elektron pengganti berasal dari donor elektron bertenaga lemah yang berasal dari hasil fotolis air.
Bagaimana ATP terbentuk?
Pernyataan yang salah mengenai fotofosforilasi siklik dan nonsiklik adalah terbentuknya ATP yang berasal dari perjalanan elektron saat melewati kompleks sitokrom. ATP terbentuk melalui mekanisme kemiosmotik. Kemiosmotik adalah perpindahan proton dari konsentrasinya yang tinggi di lumen tilakoid menuju ke stroma yang konsentrasinya rendah.
Untuk mempermudah penjelasan silahkan dilihat gambar 7. Proton yang melimpah tersebut berasal dari fotolisis air pada aliran fotofosforilasi nonsiklik dan juga berasal dari pompa proton yang dilakukan oleh aliran elektron saat melewati kompleks sitokrom. Kadar proton dalam lumen tersebut mencapai 100 kali dibandingkan di stroma.
Proton tersebut akan berpindah ke stroma melewati partikel CF1 dan kemudian dengan bantuan enzim ATP sintase maka terbentuklah ATP yang digunakan untuk reaksi gelap bersama dengan NADPH.
Reaksi Gelap
Reaksi gelap adalah tahapan reaksi fotosintesis yang tidak bergantung pada cahaya matahari. Reaksi gelap disebut juga Siklus Calvin-Benson. Hal yang dibutuhkan dalam reaksi gelap adalah ATP dan NADPH yang berasal dari reaksi terang serta molekul CO2. Tempat terjadinya reaksi gelap di stroma.a. Fotofosforilasi Siklik
Jalur fotofosforilasi siklik adalah proses yang melibatkan hanya satu fotosistem (PI) dan hanya menghasilkan ATP tanpa NADPH dan O2. Pengertian siklik yakni elektron mengalami perputaran kembali ke pusat reaksi. Jalur ini disebut siklik karena elektron (e−) bertenaga tinggi yang meninggalkan klorofil pusat reaksi, kembali ke pusat reaksi tersebut setelah melalui rantai pemindah elektron.
 |
| Gambar 8. Aliran fotofosforilasi siklik. |
Mekanisme alur fotofosforilasi siklik yakni ketika foton memberi energi pada Fotosistem I, selanjutnya terjadi pemindahan elektron bertenaga tinggi dari klorofil pusat reaksi ke penerima elektron primer.
Berikutnya, penerima elektron primer dioksidasi saat memberikan elektron bertenaga tinggi kepada pembawa-elektron pertama dari rantai pemindah elektron. Elektron dipindahkan dari pembawa elektron yang satu ke berikutnya oleh reaksi redoks.
Pada setiap reaski di rantai pemindah elektron, tenaga elektron berkurang dan pada akhirnya kembali ke pusat reaksi sebagai elektron bertenaga lemah. Sebagian energi elektron juga digunakan untuk memompa proton (H+) ke lumen tilakoid untuk dikonversi menjadi ATP secara kemiosmotik.
Berikutnya, penerima elektron primer dioksidasi saat memberikan elektron bertenaga tinggi kepada pembawa-elektron pertama dari rantai pemindah elektron. Elektron dipindahkan dari pembawa elektron yang satu ke berikutnya oleh reaksi redoks.
Pada setiap reaski di rantai pemindah elektron, tenaga elektron berkurang dan pada akhirnya kembali ke pusat reaksi sebagai elektron bertenaga lemah. Sebagian energi elektron juga digunakan untuk memompa proton (H+) ke lumen tilakoid untuk dikonversi menjadi ATP secara kemiosmotik.
Jalur fotofosforilasi non siklik adalah proses yang melibatkan Fotosistem I dan II serta menghasilkan ATP, NADPH dan O2. Ciri fotofosforilasi nonsiklik pada fotosintesis yakni jalurnya tidak mengalami siklus. Mekanisme jalur nonsiklik berlangsung sebagai berikut: foton mengenai kompleks antena fotosistem II, elektron (e−) bertenaga tinggi berpindah ke fotosistem I melewati rantai pemindah elektron.
 |
| Gambar 9 Aliran fotofosforilasi nonsiklik. |
Adapun mekanisme rincinya yakni pada saat foton memberikan energinya ke Fotosistem II (P680), maka terjadi pemecahan air dan terjadi perpindahan elektron dari pusat reaksi menuju ke akseptor elektron primer. Perjalanan elektron selanjutnya melewati serangkian reaksi di sepanjang kompleks sitokrom. Selama perjalanan tersebut energi elektron digunakan untuk memompa proton (H+) dari stroma menuju lumen untuk baku pembuatan ATP secara kemiosmotik.
Selanjutnya perjalanan elektron menuju ke Fotosistem I (P700) yang pada saat ini foton juga mengaktifkan pigmen fotosintesis untuk eksitasi elektron yang berasal dari Fotosistem II. Elektron yang berasal dari molekul klorofil di pusat reaksi fotosistem I tersebut kemudian meyalurkan energinya ke feredoksin (Fd) yang kemudian digunakan untuk membentuk NADPH.
Jalur aliran nonsiklik ini menyebabkan Fotosistem II kehilangan elektronnya karena jalurnya berakhir untuk membentuk NADH. Elektron pengganti berasal dari donor elektron bertenaga lemah yang berasal dari hasil fotolis air.
Bagaimana ATP terbentuk?
Pernyataan yang salah mengenai fotofosforilasi siklik dan nonsiklik adalah terbentuknya ATP yang berasal dari perjalanan elektron saat melewati kompleks sitokrom. ATP terbentuk melalui mekanisme kemiosmotik. Kemiosmotik adalah perpindahan proton dari konsentrasinya yang tinggi di lumen tilakoid menuju ke stroma yang konsentrasinya rendah.
Untuk mempermudah penjelasan silahkan dilihat gambar 7. Proton yang melimpah tersebut berasal dari fotolisis air pada aliran fotofosforilasi nonsiklik dan juga berasal dari pompa proton yang dilakukan oleh aliran elektron saat melewati kompleks sitokrom. Kadar proton dalam lumen tersebut mencapai 100 kali dibandingkan di stroma.
Proton tersebut akan berpindah ke stroma melewati partikel CF1 dan kemudian dengan bantuan enzim ATP sintase maka terbentuklah ATP yang digunakan untuk reaksi gelap bersama dengan NADPH.
Reaksi Gelap
Siklus Calvin memiliki 5 reaksi yang terbagi dalam 3 fase yakni: karboksilasi, reduksi, dan regenerasi. Untuk mempermudah penjelasan silahkan melihat skema reaksi gelap pada gambar 10.
 |
| Gambar 10. Siklus Calvin-Benson pada reaksi gelap. |
Fase 1: Karboksilasi. Siklus ini memasukkan molekul CO2 dengan menautkannya pada gula dengan 5 karbon yang disebut ribulosa bisfosfat (disingkat RuBP). Enzim yang mengkatalis adalah RuBP karboksilase (rubisko) Produk reaksi ini ialah molekul berkarbon enam (6-C) yang tidak stabil yang kemudian membentuk dua molekul 3-fosfogliserat (PG).
Fase 2: Reduksi. Masing-masing molekul 3-fosfogliserat menerima gugus fosfat baru yang berasal dari ATP. sehingga terbentuk 1,3-bisfosfogliserat. Selanjutnya 1,3-bisfosfogliserat mengalami reduksi dengan cara mendapatkan sumbangan sepasang elektron dari NADPH menjadi 12 molekul Fosfogliseraldehida (PGAL). PGAL memiliki energi potensial dimana 10 molekul PGAL digunakan untuk reaksi di fase ketiga (regenasi) dan sisanya digunakan untuk bahan baku glukosa dan karbohidrat yang lain seperti amilum/pati, sukrosa, dll.
Fase 3: Regenerasi. 10 molekul PGAL disusun menjadi RuBP dengan penambahan fosfat dari ATP yang digunakan untuk siklus selanjutnya.
RESUME / RINGKASAN FOTOSINTESIS
Gambar diatas merupakan skema fotosintesis yang menjelaskan proses fotosintesis secara singkat. Selanjutnya silahkan mempelajari tabel berikut untuk mempermudah pemahaman lebih lanjut.
