Pengertian dan Proses Fotosintesis

FOTOSINTESIS

Fotosintesis adalah proses yang terjadi pada tumbuhan atau mikroorganisme berklorofil lainnya, yang mengubah energi radiasi matahari menjadi energi kimia dalam bentuk senyawa-senyawa kimia terutama karbohidrat. Dalam proses fotosintesis, gas CO2 dan air diubah menjadi karbohidrat sederhana dan gas O2. Gas O2 yang terbentuk kemudian dilepaskan ke atmosfir. Melalui proses-proses metabolisme, karbohidrat sederhana itu, diubah menjadi senyawa-senyawa penyusun sel seperti karbohidrat struktural, protein, asam nukleat, lemak dan senyawa-senyawa lainnya. Senyawa-senyawa organik ini selanjutnya dipergunakan untuk membentuk sel, jaringan dan organ baru.

Proses fotosintesis dibagi dalam dua fase.
Fase(1), disebut fase cahaya, yaitu fase yang membutuhkan energi radiasi, jadi termasuk proses fotofisiologi. Fase (2), disebut fase gelap, yang tidak membutuhkan energi radiasi. Fase ini disebut fase asimilasi atau fiksasi CO2. Asimilasi CO2 terjadi dalam siklus Calvin atau siklus C3, dan dapat pula terjadi melalui siklus C4.

Fotosintesis merupakan proses fisikokimia, dimana energi cahaya digunakan untuk mensintesis senyawa organik (bentuk yang stabil)dari senyawa anorganik. Proses ini bergantung pada satu set komplek mol-mol protein yang terdapat dalam kloroplas melalui satu seri reaksi perubahan/pemindahan energi, merubah energi cahaya menjadi bentuk senyawa yang stabil. Melalui waktu yang panjang dan banyak penelitian maka didapatkan ringkasan reaksi fotosintesis :

6 CO2 + 6 H2O ======>>> C6H12O6 + 6 O2

Fotoreseptor Cahaya (Pigmen)

Fotosintesis berlangsung di kloroplas terbukti bahwa kloroplas yang terisolasi mampu melakukan fotosintesis secara lengkap. Tidak semua sel mengandung kloroplas hanya di dalam sel mesofil dan sel penutup stoma, epidermis batang muda, sel subepidermal kelopak bunga, dan buah muda.

Kloroplas terbungkus oleh system membrane lengkap yang sifatnya diferensial permeable. Didalam cairan kloroplas (disebut matriks) terdapat lembaran-lembaran rangkap pula yaitu tilakoid. Tilakoid membentuk semacam cakram membatasi lumen tilakoid. Cakram-cakram ini bertumpuk-tumpuk membentuk granum. Membrane tilakoid yang menghubungkan grana dinamakan lamella stroma. Reaksi cahaya (penangkapan energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia) berlangsung di grana dan fiksasi CO2 berlangsung di stroma. Di dalam kloroplas terdapat pigmen- pigmen yang diperlukan pada fotosintesis dan enzim-enzim yang diperlukan pada reaksi kimia fotosintesis.

Pada tumbuhan didapatkan bermacam-macam pigmen yang berperanan menyerap energi cahaya. Pigmen fotosintesis terdapat dalam kloroplas yang terdiri dari Klorofil a, b, c, d, karotenoin, santofil dan bakterioklofil pada bakteri. Pigmen ini menyerap warna atau gelombang cahaya yang berbeda-beda. Masing-masing menyerap maksimum pada gelombang cahaya tertentu. Pigmen umumnya mempunyai penyerapan maksimum pada gel cahaya pendek dan juga pada gel cahaya panjang. Untuk memaksimalkan penyerapan energi cahaya , maka pada kloroplas terdapat kelompok pemanen cahaya disebut antena yang terdiri dari bermacam-macam pigmen. Pigmen yang paling banyak dalam kloroplas adalah klorofil. Berbagai jenis klorofil tergantung pada rantai samping yang mengikat inti porfirinnya (klorofila, b, c, d, e). jenis yang terbanyak pada tumbuhan tinggi adalah klorofi a dan b. keduanya mempunyai extion spectrum yang berbeda.

Selain klorofil, didalam kloroplas juga terdapat karotenoid yang merupakan derivat likopen. Karotenoid yang paling banyak dijumpai adalah xantofil dan karoten. Fungsi karotenoid :
1. Melindungi klorofil dari fotooksidasi pada penyinaran yang terlalu kuat.
2. Membantu klorofil menangkap dan mentransfer energi cahaya.

Klorofil merupakan suatu mol yang terdiri dari bagian kepala dan ekor. Kepala adalah mol porpirin terdiri dari empat cincin pirol yang mengandung N dan masing dihubungkan ke ion Mg sebagai pusatnya. Ekor adalah mol pitol yaitu alcohol berantai panjang (20 c) beresrifikasi pada cincin pirol ke empat pada kepala. (Gb ). Beda klorofil a dengan b adalah; gugusan metil(CH3) pada cincin pirol II diganti dengan aldehid(CHO). Pada klorofil c tidak mempunyai ekor pitol, sedang klorofil d, gugusan rangkaian dua metil (CH3=CH3) pada cincin pirol I diganti dengan gugusan –O-CHO. Adanya rantai pitol berpengaruh utama terhadap kelarutan klorofil,karena pitol ini sebenarnya tidak larut dalam air.

Klorofil ini berada dalam membran lipid kloroplas dan terikat dengan bagian hidropobik protein. Sangat sedikit pigmen ini bebas. Cahaya yang diserap klorofil yang terikat berbeda dengan yang bebas. Klorofil bebas dalam aseton menyerap gel cahaya 675 nm sedang yang terikat protein 663 nm. Penggabungan klorofil dengan protein mempunyai dua alasan; membuat pigmen-pigmen berada pada satu kelompok atau organisasi yang sesuai untuk efisiensi transfer energi cahaya. Kedua membuat pigmen itu pada suatu lingkungan yang khusus,dengan susunan perbedaan maksimum cahaya yang hanya berbeda tipis sehingga transfer ini berantai sampai kepigmen yang mengalami fotokimia (pusat reaksi). Klorofil a disamping peranannya sama dengan klorofil lain menyerap energi cahaya, juga berperanan pada fotokkimia sebagai pusat reaksi.

Komponen–komponen Penyusun Fotosintesis

Pada proses fotosintesis bekerja empat komponen Fotosistem , yang terdapat pada membran dalam kloroplas, terdiri dari; Fotosistem II, komplek sitokrom b/f. Fotosistem I dan Enzim ATPase. Melalui komponen-komponen inilah terjadi system aliran atau pemindahan elektron.

Mekanisme Reaksi Cahaya (Fotolisis )

Mekanisme aliran atau pemindahan elektron
Mekanisme ini dimulai dengan adanya energi cahaya yang dikoleksi LHCII ditransfer ke pusat reaksi P680, sehingga P680 terksitasi( P680+) dan electron berenergi tinggi dari P680 diterima oleh aseptor pertama Pheopitin, selanjutnya diterima oleh aseptor didekatnya yaitu plastoquinon A(PQ A), kemudian memindahkan lagi ke plastoquinon B (PQB) yang terletak pada bagian pinggir PS II. Untuk mereduksi PQB ternyata tidak hanya menerima electron tapi juga mengikat H+ menjadi PQH(plastoqinol) bentuk reduksi. Karena itu H+ diambil dari stroma, menyebabkan stroma kosentrasi H+ menurun(pH naik). Untuk mereduksi PQB diperlukan 2 elektron dan 2 H+ menjadi PQH. Kemudian PQH lepas dari PS II dan mobil secara lateral dalam membran tilakoid.

PQH mobil dalam tilakoid akan dioksidasi oleh komplek sit b/f. Komplek sit b/f hanya menerima electron tapi tidak menerima H+. Karena itu H+ dilepas kedalam lumen tilakoid(menambah H+ menyebabkan pH turun) Elektron dari PQH diterima oleh Fe3+ pada sitokrom b menjadi Fe2+. Kemudian dioksidasi lagi oleh sitokrom f, seterusnya oleh protein 2Fe-2S. dan diterima oleh plastosianin yang mobil yang akan membawa electron ke PS I.

Elektron akan diterima PS I oleh P 700 yang telah tereksitasi lebih dulu. P700 mengalami eksitasi oleh energi cahaya yang dikirim LHC I, Elktron berenergi tingginya diterima oleh aseptor Ao yaitu semacam klorofil a, kemudian diterima oleh aseptor berikutnya A1 (derivat vit K), kemudian diterima aseptor berikut X yaitu Protein 4Fe-4 S . electron dari protein ini diterima oleh protein kecil yang mobil feredoksin dan membawa electron ini mereduksi NADP+ dengan H+(dari stroma) menjadi NADPH dengan bantuan enzim feredoksin-NADP reduktase yang berada pada stroma. Pemakaian H+ menyebabkan kosentrasi H+ pada stroma menjadi berkurang , sehingga menyebabkan pH sampai 8.

P680 yang tereksitasi menjadi oksidator yang kuat, akan mengoksidasi mengambil elektron molekul didekatnya yaitu tirosin, selanjutnya mengolsidasi Mn yang terdapat pada polipeptidaEOC dan Mn yang kehilangan elektronnya akan mengoksidasi mol H2O pada lumen untuk mendapatkan elektron. H2O teroksidasi menjadi 2 H+ + 2 e + ½ O2. Jadi P680 yang tereksitasi menerima electron berasal dari mol H2O.

Jadi dengan adanya energi cahaya yang diserap LHCII, P680 tereksitasi menjadi oksidator yang kuat untuk menguraikan mol H2O, melalui transfer electron electron yang beenergi tinggi ditransfer ke PS I , dengan penyerapan energi cahaya oleh LHCI mengeksitasi P700 yang , dimana elektronnya yeng berenergi tinggi mereduksi NADP+ dan H+ menjadi NADPH.
Reaksi Gelap (Fiksasi CO2 )atau Siklus Calvin

Fiksasi CO2 terjadi dalam stroma. Proses ini terjadi dalam 3 tahap yaitu pertama karboksilasi dilanjutkan dengan reduksi dan tahapan akhir adalah regenerasi.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Fotosintesis
Seperti halnya proses metabolisme yang lain, fotosintesis dipengaruhi oelh berbagai factor. Di alam fotosintesis dipengaruhi oleh factor luar dan dalam dan sulit dipisahkan ecara tegas. Analisis hanya dengan cara seksama dapat mengetahui factor masing-masing. Sesuai dengan hukum Black man (prinsip factor pembatas), maka kecepatan fotosintesis ditentukan oleh factor yang berada dalam keadaan minimum. Pada dasarnya faktor-faktor tersebut dapat dikelompokkan menjadi :

Faktor Dalam

1. Kandungan klorofil : karena pigmen ini langsung berperan dalam penangkapan energi radasi dan mengubahnya menjadi energi kimia maka jumlahnya akan menentukan kecepatan fotosintesis.
2. Morfologi daun : termasuk di dalamnya kerapatan tulang daun, permukaan daun (mengkilat atau tidak).
3. Anatomi daun : struktur anatomi mempengaruhi fotosintesis secara tidak langsung karena mempengaruhi kecepatan didusi C02 dan lewatnya cahaya pada mesofilnya.
4. Faktor protoplasma : suatu tumbuhan yang dipindahkan dari gelap ke terang tidak segera mampu mengadakan fotosintesis. Perlu waktu unutuk persiapan. Factor ini tidak jelas, mungkin untuk sintesis enzim-enzim yang berperan pada tahap-tahap fotosintesis.
5. Akumulasi fotosintat : bila translokasi fotosintesis dari daun terhambat (misalnya defisiensi B) maka akan terjadi penimbunan glucose dalam kloroplas. Kandungan glucose yang tinggi ini akan menghambat reaksi fotosinteis.

Faktor Luar

1. Cahaya : pengaruhnya lewat intensitasnya, kualitasnya, lama penyinaran, besarnya pantulan dan seterusnya. Secara tidak langsung mempengaruhi membuka menutupnya stomata, sehingga mempengaruhi difusi C02 untuk fotosintesis.
- Pada dasarnya sampai intensitas tetentu kenaikan intensitas akan menaikkkan kecepatan fotosintesis. Penurunan fotosintesis apda intensitas tinggi sebagai akibat adanya fotooksidasi klorofil dan kerusakan enzim.
- Temperatur : temperature optimim disekitar 35o C dan pada tumbuhan C-4
lebih tinggi sehingga cocok untuk daerah tropika.
3. Air : meskipun air merupakan bahan dasar untuk proses fotosintesis tetapi pengaruhnya secara tidak langsung, yaitu mempengaruhi membuka menutupnya stomata.
4. Oksigen : oksigen merupakan hasil tambahan fotosintesis dan bila berada dalam jumlah besaar akan menghambat fotosintesis tertutama lewat reaksi fotorespirasi.
5. Zat hara mineral : berbagai unsure hara mineral diperlukan untuk sintesis klorofil, koenzim berbagai enzim yang berperan pada fotosintesis, transport karbohidrat, dll.
6. Karbondioksida : C02 merupakan bahan dasar fotosintesis, tetapi bila diberikan dalam jumlah besar akan menyebabkan kecepatan fotosintesis berkurang karena kadar CO2 yang tinggi akan menurunkan pH cairan sel, stomata akan menutup.