fotosintesis

FOTOSINTESIS

A.     PENGERTIAN

Fotosintesis berasal dari kata foton artinya cahaya dan sintesis artinya penyusun. Jadi proses fotosintesis adalah proses penyusunan dan pembentukan organ pada tumbuhan yang mengandung klorofil dengan bantuan cahaya matahari atau foton. Perangkat fotosintesis terdiri dari klorofil a, klorofil b, karetinoid (karoten dan xantofil), dan akseptor elekron yang tergabung dalam system, yang disebut fotosistem.

Fotosistem akan membentuk gula (glukosa) dari CO₂ dan H₂O dengan bantuan sinar matahari dan klorofil. Reaksi kimia fotosintesis :

   Cahaya matahari

6H₂O + 6CO₂                                      C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + Energi

              Klorofil

B.     PERKEMBANGAN PENGERTIAN TENTANG FOTOSINTESIS

Meskipun masih ada langkah-langkah dalam fotosintesis yang belum dipahami, persamaan umum fotosintesis telah diketahui sejak tahun 1700-an. Di antara sarjana-sarjana yang banyak melakukan eksperimen-eksperimen untuk membuktikan kebenaran peristiwa ini adalah

a.       Ingenhousz (1799)

Sarjana ini membuktikan bahwa pada fotosintesis dilepaskan O₂. Hal ini dibuktikan dengan percobaannya yang menggunakan tanaman air Hydrilla verticillata di bawah corong terbalik. Jika tanaman tersebut terkena sinar, maka timbullah gelembung-gelembung gas yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reksi. Gas yang mengumpul tersebut, ternyata adalah Oksigen.

b.      Engelmann (1822)

Sarjana ini membuktikan bahwa klorofil merupakan suatu faktor keharusan dalam proses fotosintesis. Untuk ini, dia menyinari ganggang hijau Spirogyra yang kloroplasnya berbentuk pita melingkar seperti spiral. Hanya kloroplas yang terkena sinar yang melepaskan oksigen. Ini terbukti dari banyaknya bakteri-oksigen yang berkerumun sekitar tempat kloroplas yang terkena sinar.

c.       Sachs (1860)

Sarjana ini membuktikan baha pada fotosintesis terbentuk karbohidrta amilum. Adanya amilum dapat dibuktikan dengan pengujian dengan yodium. Amilum dengan yodium memberikan warna hitam. Amilum hanya terdapat pada bagian yang hijau dan kena sinar.

d.      Hill (1937)

Sarjana ini berhasil mengikuti kegitan kloroplas yang telah dipisahkan dari sel hidup. Kloroplas lepas sel itu jika disinari mampu menghasilkan O₂ asal saja tersediakan penampung electron seperti Fe⁺⁺⁺ (ion feri).

Terlepasnya O₂ itu dapat diperlihatkan pula dengan 2,6 diklorofenol-indofenol yaitu zat yang tidak berwarna jika dalam keadaan tersusut, akan tetapi menjadi berwarna jika mengalami oksidasi. Warna menjadi biru jika dalam keadaan basa dan merah jika dalam keadaan asam.

Meskipun tanpa CO₂, penghasilan O₂ oleh kloroplas tetap berlangsung selama masih tersedia penampung electron. Dari sini dapat ditarik kesimpulan bahwa O₂ yang terlepas itu tidak berasal dari CO₂, melainkan dari air. Hal ini dapat dibuktikan juga dengan menggunakan elemen penyusur.

Hill lebih lanjut mengatakan bahwa sinar itu hanya diperlukan untuk memecahkan air, pemecahan ini disebut fotolisis. Fotolisis mengakibatkan molekul air pecah menjadi hydrogen dan oksigen, peristiwanya dituliskan sebagai berikut :

2H₂O                           2H₂ + O₂

            H₂ yang terlepas itu ditampung oleh koenzim NADP. Dalam hal demikian, NADP dikatakan menjadi akseptor H₂, dan bentuknya menjadi NADPH₂. O₂ tetap dalam keadaan bebas. Fotolisis inilah yang merupakan pendahuluan dalam proses fotosintesis. Langkah berikut setelah fotolisis ialah penyusutan CO₂ oleh H₂ yang dibawakkan oleh NADP tersebut. Peristiwa penyusutan CO₂ tidak memerlukan sinar, dengan kata lain, peristiwa tersebut berlangsung gelap. Hal ini dinyatakan oleh Blackman.

e.       Blackman (1805)

            Sarjana ini membuktikan bahwa reduksi dari CO₂ ke CH₂O itu berlangsung tanpa sinar. Jika fotolisis (disebut reaksi Hill atau reaksi terang) digabungkan dengan reaksi berikutnya (disebut reaksi Blackman atau reaksi gelap), jadilah :

                        12H₂O + 6CO₂                        (CH₂O)₆ + 6H₂O + 6O₂

f.        Ruben dan Kamen (1941)

            Sarjana ini membuktikan bahwa O₂ yang terlepas pada fotosintes itu berasal dari air. Untuk itu, kedua sarjana ini menggunakan air yang oksigennya radioaktif, yaitu O¹⁸, O biasa adalah O¹⁶, sehingga proses fotosintesis dapat dirumuskan :

                        6H₂O¹⁸ + 6CO₂                        C₆H₁₂O₆ + 6O₂¹⁸

g.       Benson dan Calvin (1950)

Sarjana ini mengikuti urut-urutan zat-zat antara yang terjadi pada fotosintesis dengan menggunakan zat radioaktif C¹⁴ (karbon yang stabil adalah C¹²). Maka sehabis penyinaran selama 2 detik, hasil fotosintesis yang terbentuk adalah asam-fosfogliserat yang mengandung 3 atom C di dalamnya. Dalam percobaan ini, atom c radioaktif ernyata C¹, yaitu C karboksil C¹⁴OOH.

1                    COOH

Gambar : Rumus bangun 3asam-

2                    HOOH                         ATP                 pospogliserat dengan peristiwa

                                                                          pospolirasi.

3                    CH₂O. PO₃H₂

 ADP

Asam gliserat mendapat satu gugusan pospat dari ATP (Adenosin-Tri-Pospat) sehingga menjadi 3-asam-pospogliserat. ADP (Adenosin-Di-Pospat) menjadi ATP lagi karena peristiwa fotopospolirasi yang berlangsung di dalam kloroplas. ATP juga dapat terjadi karena pospolirasi oksidatif.

C.     FOTOSINTESIS PADA TUMBUHAN

Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini :

6H₂O + 6CO₂ + cahaya → C₆H₁₂O₆ (glukosa) + 6O₂

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 berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas. Klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. 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.

D.    PROSES FOTOSINTESIS

Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun. Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian stroma.

1.      Komponen fotosintesis

a.       CO₂

Untuk mengetahui berapa CO₂ yang dipergunakan didalam fotosintesis, dapat dilakukan percobaan dengan cara pertama mengukur lebih dahulu banyaknya CO₂ yang terlepas pada pernafasan malam hari. Karena pada siang hari pernafasan itu berlangsung bersama-sama fotosintesis, maka banyaknya CO₂ yang terpakai pada fotosintesis sama dengan jumlah CO₂ yang ada di udara (0,03%) ditambah dengan jumlah CO₂ yang terlepas karena pernafasan. Dengan demikian dapat diketahui jumlah bersih CO₂ yang digunakan dalam fotosintesis. Cara mengukur banyaknya CO₂ yang digunakan dalam fotosintesis dengan cara menyelidiki kadar CO₂ yang akan masuk ke suatu sungkup tempat tanaman percobaan ber-fotosintesis. Kemudian menyelidiki kadar CO₂ yang keluar dari sungkup tersebut. Untuk itu diperlukan zat pengikat yaitu larutan KOH, NaOH, atau BaOH. Dengan titrasi dapat diketahui perbedaan kadar CO₂ dari udara yang massuk dan yang keluar dari sungkup. Selisih itu menunjukka berapa benyak CO₂ yang dipergunakan tanaman percobaan tersebut.

b.      H₂O

c.       Cahaya matahari

Cahaya matahari terdiri atas beberapa spectrum, yaitu inframerah, merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu, dan ultraungu. Masing-masing panjang gelombangnya berbeda-beda. Banyak energi yang dimiliki oleh cahaya tergantung dari panjang pendeknya gelombang. Proses fotosintesis menggunakan cahaya tampak yaitu dari merah sampai ungu. Sedangkan inframerah dan ultraungu tidak digunakan. Spektrum dari sinarr yang Nampak oleh mata kita diberikan di bawah ini dengan gelombang dinyatakan dalam mµ.

Ungu

Nila

Biru

Hijau

Kuning

Jjingga

Merah

       390 mµ      430           470        500         560            600           650       760 mµ

d.               Enzim

e.       Klorofil

Klorofil terdapat sebagai butir-butir hijau di dalam kloroplas. Pada umumnya kloroplas itu berbentuk oval, bahan dasarnya disebut stroma, sedang butir-butir yang terkandung di dalamnya disebut grana. Pada tanaman tinggi terdapat dua macam klorofil, yaitu :

-       Klorofil a : C₅₅H₇₂O₅N₄Mg (berwarna hijau tua)

-       Klorofil b : C₅₅H₇₀O₆N₄Mg (berwarna hijau-muda)

Klorofil itu fluorosen artinya dapat menerima sinar dan mengembalikannya dalam gelombang yang berlainan. Klorofil a tampak hiaju tua, tetapi jika sinar direfleksikan, ampaknya lalu merah darah. Klorofil b tampak merah-coklat. Klorofil banyak menyerap sinar meran dan nila. Larutan klorofil dalam eter memberikan spektrum absorsi sebagai berikut :

           

f.                 Pigmen fotosintesis

Pigmen fotosintesis antara lain pigmen hijau (klorofil) yang merupakan pigmen utama yang terdapat pada tumbuhan sedangkan pigmen lainnya seperti antosian pada bunga dan buah, fikobilin/fikosianin (biru) pada Cyanobacteria, karoten (orange) pada wortel, fikoroetrin (merah) pada Rhodophyta, dll. Pigmen fotosintesis terdapat di tilakoid.

v              Faktor-faktor yang berpengaruh kepada pembentukan klorofil :

-    Faktor Pembawaan

Pembentukan klorofil dibawakan oleh suatu gen tertentu di dalam kromosom. Jika gen tidak ada maka tanaman akan tampak putih belaka (albino).

-    Cahaya

Tanaman yang ditumbuhkan dalam daerah yang gelap (tidak terkena cahaya matahari), tidak berhasil membentuk klorofil, tumbuhan tersebut berwarna pucat (klorosis) kekuning-kuningan. Tetapi terlalu banyak sinar juga berpengaruh buruk terhadap klorofil.

-    Oksigen

Tanaman yang ditempatkan di tempat gelap, tidak akan mampu menghasilkan klorofil apabila tidak diberi oksigen.

-    Karbohidrat

Karbohidrat terutama dalam bentuk gula membantu tumbuhan untuk membentuk klorofil pada daun-daun yang mengalami pertumbuhan dalam gelap (etiolasi).

-    Nitrogen, Magnesium, Besi

Besi yang menjadi bahan penting dalam pembentukan klorofil. Kekurangan  salah satu zat tersebut mengakibatkan klorosis.

-    Mn, Cu, Zn

Unsur-unsur tersebut walaupun hanya diperlukan dalam jumlah sedikit, tetapi sangat membantu dalam pembentukan klorofil. Kekurangan  salah satu zat tersebut juga akan mengakibatkan klorosis.

-    Air

Kekurangan air akan mengakibatkan desintegrasi dari klorofil.

-    Temperatur

Temperatur antara 26º-30º merupakan kondisi yang paling baik untuk pembentukan klorofil.

2.      Fotosistem

Fotosistem adalah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari yang terdiri atas klorofil a, kompleks antena, dan aksepton lain. Elektron yang dilepaskan klorofil a mempunyai energi tinggi, sebab memperoleh energi dan cahaya yang berasal dari molekul perangkat pigmen yang kompleks antena.

Fotosistem dibagi dua, yaitu fotosistem I dan fotosistem II.

Fotosistem I

            Penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang peka terhadap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm (sehingga disebut P700). Energi yang diperoleh ditransfer dari kompleks antenna.

Fotosistem II

            Penyerapan energi cahaya dilakukan oleh klorofil a yang peka terhadap cahaya dengan panjang gelombang 680 nm (sehingga disebut P680).

3.      Reaksi dalam fotosintesis

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).

a)      Reaksi Terang (Reaksi Fotokimia)

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH₂. Reaksi ini membutuhkan sinar matahari. Terjadi pada grana/tilakoid. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena. Terjadi dua proses yaitu : proses fotolisis dan proses fosfolirasi.

            Proses fotolisis adalah proses penguraian air (H₂O) dengan bantuan cahaya menjadi hydrogen dan hidroksida. Elektron yang terbentuk akan masuk dalam proses fosfolirasi. Reaksi fotolisis :

2H₂O                                       4e^- + 4H⁺ + O₂

Sedangkan proses fosfolirasi berlangsung dua tahap, yaitu fosfolirasi siklik dan fosfolirasi nonsiklik. Reksi terang tergantung pada cahaya iuntuk mengubah energy cahaya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH.

b)      Reaksi Gelap (Reaksi Termokimia)

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).

Reaksi gelap terdapat 3 tahap, antara lain :

1.      Fiksasi

Adalah proses pengikatan molekul CO2 oleh senyawa kimia ribulosa Bi Phosphat / RuBP atau Ribulosa Di Phosphat / RDP (5C)

2.      Fase Reduksi

Adalah pemakaian ion H⁺ dari NADPH untuk mereduksi Phospogliseraldehide / PGAL. Selanjutnya 2 molekul PGAL akan membentuk 1 molekul glukosa.

3.      Regenerasi

Adalah proses pembentukan kembali molekul Ribulosa Di Phosphat / RDP untuk melanjutkan fungsinya sebagai fiksator molekul CO₂.

Gambar siklus Calvin

E.     FAKTOR PENENTU LAJU FOTOSINTESIS

Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis:

1.      Intensitas cahaya

Laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.

2.      Konsentrasi karbon dioksida

Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapt 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.