FOTOSINTESIS

Percobaan yang Berhubungan dengan Fotosintesis : 
1. Ingenhousz

Orang pertama yang melakukan penelitian adalah Jan Ingenhousz. Ia memasukkan Hydrilla verticillata dalam bejana yang berisi air. Bejana ditutup dengan corang terbalik dan diatasnya diberi tabung reaksi yang diisi air sampai penuh. Bejana tersebut diletakkan di terik matahari, kemudian muncul gelembung udara dari tumbuhan itu. Gelembung idara tersebut menandakan adanya gas yaitu oksigen. Ingenhousz menyimpulkan bahwa fotosintesis menghasilkan oksigen.

2. T.W Engelmann

Ia melakukan percobaan dengan menggunakan alga spirogyra. Hanya kloroplas yang terkena cahaya yang mengeluarkan oksigen. Hal tersebut dibuktikan dengan banyaknya bakteri yang berkerumun di bagian kloroplas yang terkana cahaya. Sehingga disimpulkan bahwa:

1. Fotosintesis dilakukan oleh kloroplas
2. Kloroplas hanya berfotosintesis jika terkena cahaya.
3. J.V. Sachs

Ia membuktikan bahwa fotosintesis menghasilkan amilum. Caranya, daun dibungkus kertas timah dan dibiarkan terkena cahaya matahari sejak pagi hingga sore. Kemudian daun tersebut direbus untuk mematikan sel-selnya. Kemudian daun tersebut dimasukkan dalam alcohol agar klorofilnya larut dan daun menjadi pucat. Kemudian ditetesi dengan iodine, sehingga bagian yang pucat tetap pucat sedangkan yang tidak tertutup berwarna biru kehitaman. Warna tersebut menandakan bahwa di daun terdapat amilum.

3. Robert Hill

Hill membuktikan bahwa energi cahaya untuk memecah air (fotolisis), disebut reaksi terang yang terjadi di grana.

4. Blackman

Blacman membuktikan bahwa reduksi karbon dioksida oleh H2 tanpa keterlibatan langsung dari cahaya, disebut reaksi gelap yang terjadi di stroma.

Proses Fotosintesis

Fotosintesis merupakan proses menggabungkan CO_2, H₂O menjadi gula dengan menggunakan energi cahaya dengan menggunakan organel yang disebut kloroplas.

Proses fotosintesis dibagi menjadi dua reaksi yaitu :

1. Reaksi Terang

Reaksi terang merupakan langkah-langkah mengubah energy matahari menjadi energy kimia. Cahaya yang diserap oleh klorofil menggerakkan transport electron dan hydrogen dari air ke penerima ( aseptor ) yang disebut NADP⁺ yang berfungsi sebagai pembawa electron dalam respirasi seluler. Reaksi terang menggunakan tenaga matahari untuk mereduksi NADP⁺  menjadi NADPH dengan cara menambahkan sepasang electron bersama dengan nucleus hydrogen atau H⁺. Reaksi terang juga menghasilkan ATP dengan memeberi tenaga bagi penambahan gugus fosfat yang pada ADP, proses ini disebut fotofosforilasi.

Reaksi terang terjadi di grana, persisnya di membran tilakoid. Reaksi terang menggunakan 2 fotosistem yang berhubungan. Fotosistem I menyerap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm maka disebut P700, berfungsi untuk menghasilkan NADPH. Fotosistem II menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm maka disebut P680, berfungsi untuk membuat potensial oksidasi cukup tinggi sehingga bisa memecah air. Bila bekerja bersama, 2 fotosistem ini melakukan proses fotofosforilasi non-siklik yang menghasilkan ATP dan NADPH. Fotosistem I mentransfer elektron ke NADP+ untuk membentuk NADPH. Kehilangan elektron digantikan oleh elektron dari fotosistem II. Fotosistem II dengan potensial oksidasinya yang tinggi dapat memecah air untuk menggantikan elektron yang ditransfer ke fotosistem I. Kedua fotosistem ini dihubungkan oleh kompleks pembawa elektron yang disebut sitokrom/komplek b6-f. Kompleks ini menggunakan energi dari pemindahan elektron untuk memindahakan proton dan mengaktifkan gradien proton yang digunakan oleh enzim ATP sintase.

Saat pusat reaksi Fotosistem II menyerap foton, elektron tereksitasi pada molekul klorofil P680, yang mentransfer elektron ini ke akseptor elektron. P680 teroksidasi melepaskan elektron dari kulit terluar atom Mg. Atom Mg yang teroksidasi dengan bantuan enzim pemecah air, melepaskan elektron dari atom oksigen dari 2 molekul air. Proses ini membuat P680 menyerap 4 foton untuk melengkapi oksidasi 2 molekul air dan mengahsilkan 1 oksigen. Elektron yang tereksitasi dibawa oleh plastoquinon dan kemudian diterima oleh kompleks b6-f. Kehadiran elektron menyebabkan kompleks memompa proton ke celah tilakoid, kemudian elektron dibawa oleh plastosianin ke fotosistem I.

Pusat reaksi fotosistem I menyerap foton maka elektronnya tereksitasi. ”Lobang” yang ditinggal elektron segera ditempatin olek elektron dari Fotosistem II, sedangkan elektron yang tereksitasi tersebut ditanggap oleh ferredoxin. Ferredoxin tereduksi membawa elektron dengan potensial yang tinggi kemudian ditangkap oleh NADP+ untuk membentuk NADPH.Reaksi ini dikatalisasi oleh enzim NADPH reduktase. Enzim ATP sintase menggunakan gradien proton yang tercipta saat tranpor elektron untuk mensintesis ATP dari ADP + Pi.

2. Reaksi Gelap

Reaksi gelap adalah reaksi pembentukan gula dari CO2 yang terjadi di stroma. Berbeda dengan reaksi terang, reaksi gelap atau reaksi tidak bergantung cahaya bisa terjadi pada saat siang dan malam, namun pada siang hari laju reaksi gelap tentu lebih rendah dari laju reaksi terang.

Reaksi gelap dimulai dengan pengikatan atau fiksasi 6 molekul CO2 ke 6 molekuk gula 5 karbon yaitu ribulosa 1,5 bifosfat, dikatalisis oleh enzim ribulosa bifosfat karboksilase/oksigenase(rubisco) yang kemudian membentuk 6 molekul gula 6 karbon. Molekul 6 karbon ini tidak stabil maka pecah menjadi 12 molekul 3 karbon yaitu 3 fosfogliserat. 3 fosfogliserat kemudian difosforilasi oleh 12 ATP membentuk 1,3 bifosfogliserat. 1,3 bifosfogliserat difosforilasi lagi oleh 12 NADPH membentuk 12 molekul gliseradehida 3 fosfat/PGAL. 2 PGAL digunakan untuk membentuk 1 molekul glukosa atau jenis gula lainnya, sedangkan 10 molekul lainnya difosforilasi oleh 6 ATP untuk kembali membentuk 6 molekul Ribulosa 1,5 bifosfat. Proses pengikatan CO2 ke RuBP disebut fiksasi, proses pemecahan molekul 6 karbon menjadi molekul 3 karbon disebut reduksi dan proses pembentukan kembali RuBP dari PGAL disebut regenerasi.
Fotosintesis ini disebut mekanisme C3, karena molekul yang pertama kali terbentuk setelah fiksasi karbon adalah molekul berkarbon 3. Kebanyakan tumbuhan menggunakan fotosintesis C3 disebut tumbuhan C3.

Untuk beberapa tumbuhan, mereka terpaksa melakukan fotosintesis dengan cara yang sedikit berbeda karena kondisi lingkungan. RuBP, alih-alih mengikat CO2, justru mengikat O2 sehingga berubah menjadi glikolat dan terurai. Proses ini disebut fotorespirasi. Saat fiksasi karbon, CO2 dan O2 berkompetisi untuk berikatan dengan RuBP. Pada kondisi normal bersuhu 25 C, 20% fiksasi karbon untuk fotosintesis hilang karena fotorespirasi. Kemungkinan makin meningkat saat kondisi panas, kering dan stomata menutup di siang hari untuk menyimpan air. Kondisi ini menyebabkan CO2 tidak bisa masuk dan O2 tidak bisa keluar sehingga terjadi fotorespirasi. Untuk menanggulangi hal tersebut, maka tanaman mengikatkan CO2 ke fosfoenolpiruvat(PEP), dikatalisis oleh PEP karboksilase dan membentuk senyawa 4 karbon, biasanya oksaloasetat. Mekanisme ini disebut mekanisme C4. Pengikatan ini terjadi disel mesofil. Oksaloasetat kemudian berubah menhadi malat yang memasuki sel seludang dan disanalah malat melepaskan CO2 untuk memulai siklus Calvin. Mala berubah menjadi piruvat yang keluar menuju sel mesofil, berubah menjadi PEP untuk berikatan lagi dengan CO2.

Reaksi Fotosintesis secara Umum

    > Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Fotosintesis

1. a.           Intensitas cahaya
   Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.
2. b.           Konsentrasi karbon dioksida
   Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.
3. c.            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.
   1. d.           Kadar air
      Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.
   2. e.            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.
   3. f.             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.

    > Cahaya yang Berperan dalam Fotosintesis

    > Fotosistem

• Kumpulan pigmen dan protein yang berasosiasi dengan membran tilakoid yang memanen energi dari elektron yang tereksitasi
• Energi yang ditangkap ditransfer antara molekul fotosistem sampai mencapai molekul klorofil pada pusat reaksi
• Pada pusat reaksi terdapat 2 molekul
  • Klorofil  a
  • Akseptor elektron primer
  • Pusat reaksi klorofil dioksidasi dengan hilangnya elektron melalui reduksi akseptor elektron primer
  • Terdapat fotosistem I dan  II

    > Aliran Elektron

1. Terdapat dua rute jalur elektron yang tersimpan pada akseptor elektron primer
2. Kedua jalur

• Dimulai dengan penangkapan energi foton
• Menggunakan rantai transport elektron dengan sitokrom untuk kemiosmosis

       1. Aliran elektron nonsiklik

• Menggunakan fotosistem II dan I
• Elektron dari fotosistem II dihilangkan dan diganti oleh elektron yang didonasikan oleh air
• Mensintesis ATP dan NADPH
• Donasi elektron mengkonversi air O₂ dan 2H⁺

       2. Aliran elektron siklik

• Hanya menggunakan fotosistem I
• Elektron dari fotosistem I di-recycle

1. Mensintesis ATP

    > Tanaman CAM dan C4    a. Tanaman C4

Tanaman C4 meminimalkan keperluan fotorespirasi dengan cara menggabungkan CO₂ ke dalam senyawa empat karbon di sel mesofil

    b. Tanaman CAM

Membuka stomatanya pada malam hari, menggabungkan CO₂ ke dalam asam organik

Selama siang hari, stomata tertutup

–     CO₂ dilepaskan dari asam organik untuk digunakan dalam siklus Calvin

• Anatomi daun C₄ dan jalur C₄

• Ø Jalur CAM mirip dengan jalur C4