Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S. V. FOTOSINTESIS Fotosintesis merupakan proses dimana tumbuhan, beberapa bakteri, dan protista menggunakan energi dari matahari untuk menghasilkan gula, dimana dengan respirasi seluler mengubahnya menjadi ATP, sebagai gudang energi untuk aktivitas kehidupan. Konversi energi matahari menjadi energi kimia, berkaitan erat dengan kerja pigmen hijau, klorofil. Keseluruhan reaksi dapat dituliskan sebagai berkut: 6H 2 O + 6CO 2 ----------> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Diagram menunjukkan masukan dan luaran proses fotosintesis. Air masuk ke akar dan diangkut ke daun melalui xylem. Pada tumbuhan darat air ke luar melalui stomata. 5.1. Sifat Cahaya Biologi UNM, 2008 93
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
V. FOTOSINTESIS
Fotosintesis merupakan proses dimana tumbuhan, beberapa bakteri, dan
protista menggunakan energi dari matahari untuk menghasilkan gula, dimana
dengan respirasi seluler mengubahnya menjadi ATP, sebagai gudang energi
untuk aktivitas kehidupan. Konversi energi matahari menjadi energi kimia,
berkaitan erat dengan kerja pigmen hijau, klorofil.
Keseluruhan reaksi dapat dituliskan sebagai berkut:
6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6+ 6O2
Diagram menunjukkan masukan dan luaran proses fotosintesis.
Air masuk ke akar dan diangkut ke daun melalui xylem. Pada tumbuhan darat air ke luar
melalui stomata.
5.1. Sifat Cahaya
Untuk memahami bagaimana cahaya meenyebabkan fotosintesis, kita harus
mempelajari sifatnya. Pertama, cahaya mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel.
Cahaya merupakan bagian energi cahaya yang mempunyai panjang gelombang tampak
Biologi UNM, 2008 93
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
bagi mata manusia (sekitar 390-760 nanometer, nm). Ini merupakan daerah yang
sangat sempit dari spektrum elektromagnetik.
Sifat partikel cahaya biasanya diungkapkan dalam pernyataan bahwa cahaya itu datang
dalam bentuk kuanta atau foton; yaitu paket energi yang terpotong-potong, masing-
masing mempunyai panjang gelombang tertentu. Energi dalam tiap foton berbanding
terbalik dengan panjang gelombang ungu dan biru mempunyai foton yang lebih
berenergi dibandingkan dengan panjang gelombang jingga dan merah.
Cahaya merupakan bentuk energi yang dikenal sebagai energi elektromagnetik, yang
juga disebut radiasi. Energi elektromagnetik bergerak dalam gelombang berirama yang
analog dengan gelombang berirama yang diciptakan dengan menjatuhkan kerikil ke
dalam genangan air. Akan tetapi gelombang elektromagnetik merupakan gangguan
pada medan listrik dan medan magnetik, dan bukannya pada medium materi seperti air.
Matahari merupakan sumber energi bagi semua makhluk hidup. Energi matahari berasal
dari suatu reaksi inti yang melibatkan konversi atom-atom hidrogen menjadi atom-atom
helium. Reaksi ini yang berlangsung pada suhu dan tekanan tinggi menghasilkan suatu
spektrum energi radiasi yang lebar. Apabila cahaya putih (matahari) dilewatkan pada
sebuah prisma akan terlihat terurai menjadi berbagai warna (=panjang gelombang).
Berbagai bagian dari spektrum elektromagnetik ditunjukkan, seperti sinar gamma,
ultraviolet, tampak dan infra merah (Gambar 5.1).
Biologi UNM, 2008 94
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Gbr.5.1. Spektrum elektromagnetik
Cahaya tampak merupakan bagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Cahaya tampak
dengan gelombang lebih panjang akan kelihatan lebih merah. Demikian pula cahaya
tampak dengan gelombang lebih pendek nampak warna lembayung (violet).Cahaya
dengan gelombang lebih panjang dikenal sebagai inframerah, sedangkan yang lebih
pendek dari violet disebut ultraviolet.
Panjang gelombang dihitung sebagai jarak dari puncak ke puncak (atau palung ke
palung) gelombang. Energi yang dikandung berbanding terbalik dengan panjang
gelombang; semakin panjang gelombang semakin kecil energinya (Gambar 5.2).
Gbr 5.2. Sifat gelombang elektromagnetik
Biologi UNM, 2008 95
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Energi gelombang elektromagnetik dapat diukur dalam erg, joule, volt elektron atau
gram-kalori. Dalam biologi, panjang gelombang lebih sering dinyatakan dalam
nanometer (nm, 10-9m) dan energi dalam joule per mol foton (j/mol foton).
Molekul yang mengabsorpsi cahaya tampak dalam pigmen berwarna atau hitam.
Elektron yang tereksitasi biasanya elektron yang mobil yang berasosiasi dengan ikatan
rangkap yang tidak jenuh. Misal klorofil, mempunyai tingkat ketidakjenuhan yang tinggi
dan mengabsorpsi cahaya yang efisien, terutama cahaya biru dan merah.
Suatu prinsip dari absorpsi cahaya tersebut adalah hukum Stark Einstein yang
menyatakan bahwa setiap molekul setiap kali hanya dapat menyerap satu foton, dan
foton ini menyebabkan tereksitasinya satu elektron. Elektron yang dalam keadaan dasar
(“ground state”) stabil pada suatu orbit biasanya tereksitasi, dipindahkan menjauhi
keadaan dasarnya (orbit tersebut) dengan jarak (keorbit lain) sesuai dengan energi foton
yang diabsorpsinya. Jika yang menyerap energi foton itu adalah molekul klorofil atau
pigmen yang lain, maka molekul itu kemudian akan berada dalam keadaan tereksitasi,
dan energi eksitasi inilah yang digunakan dalam fotosintesis. Klorofil atau pigmen yang
lain itu akan tetap dalam keadaan tereksitasi untuk waktu yang singkat, biasanya 10 -9
detik atau kurang dari itu, energi eksitasi akan hilang pada waktu elektron kembali ke
orbitnya semula (Gambar 5.3).
Biologi UNM, 2008 96
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Gbr. 5.3. Pengaruh energi foton terhadap molekul. Pigmen merupakan molekul penyerap cahaya. Bila foton cahaya mengenai pigmen fotosintetik, elektron dalam molekul akan tereksitasi. Elektron berenergi berpindah dari inti atom.
Energi eksitasi yang diinduksi dalam suatu molekul atau atom oleh satu foton dapat hilang menurut tiga cara, yaitu:
Hilang sebagai panas/kalor
Sebagian hilang sebagai panas dan sisanya sebagai cahaya tampak dengan
panjang gelombang lebih panjang dari panjang gelombang yang diabsorpsi
Digunakan untuk suatu reaksi kimia.
Fotosintesis adalah hasil dari proses yang ketiga.
Biologi UNM, 2008 97
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
5.2. Kloroplas: Klorofil dan Pigmen Pelengkap
Organisme dapat dikelompokkan menjadi lima dunia, dan klroplas terdapat pada
hampir semua anggota dunia Plantae dan pada ganggang tertentu. Hanya
angiospermae parasit tak-berwarna sebagai kekecualian. Sianobakteri dan
anggota bakteri fotosintetik dari dunia Monera tidak mempunyai kloroplas, tapi
mereka mempunyai pigmen fotosintetesis yang melekat pada membran khusus,
sebagaimana juga kloroplas.
Tiap kloroplas dikelilingi oleh sistem membran-ganda yang mengatur lalu lintas
molekul keluar masuk kloroplas. Di dalam kloroplas dijumpai struktur tilakoid.
Tilakoid adalah unit struktural fotosintesis. Tilakoid tersusun seperti tumpukan
buku yang secara keseluruhan disebut grana. Ruang antar grana berisi cairan
kaya-enzim disebut stroma. Bila mitokondria mempunyai dua membran, maka
kloroplas mermpunyai tiga membran, membentuk tiga kompartemen (Gambar
5.5).
Biologi UNM, 2008 98
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Gbr. 5.5. Struktur kloroplas dan lokasi fotosintesis
Biologi UNM, 2008 99
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Pigmen adalah suatu benda yang dapat menyerap cahaya. Warna pigmen yang
terlihat merupakan cahaya yang direfleksikan (dengan kata lain, tidak diserap).
Klorofil, pigmen warna hijau pada sel fotosintetik, menyerap semua cahaya
tampak kecuali warna hijau, yang direfleksikan dan ditangkap oleh mata. Pigmen
hitam menyerap semua cahaya tampak. Pigmen putih merefleksikan semua
warna.
Pigmen pada membran tilakoid sebagian besar terdri dari dua jenis klorofil, yakni
klorofil a dan klorofil b. Juga terdapat pigmen kuning sampai jingga yang
digolongkan sebagai karotenoid. Ada dua jenis karotenoid, yaitu karoten dan
xantofil. Karotenoid yang paling banyak terdapat pada tumbuhan adalah β-
karoten dan lutein. Pigmen-pigmen tersebut terdapat di dalam kloroplas yaitu
pada membran internal yang disebut tilakoid. Struktur klorofil dan beberapa
karotenoid terlihat pada gambar 5.4 dan 5.5.
Gbr. 5.4. Struktur molekul klorofil.
Biologi UNM, 2008 100
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Gambar 5.5. Stuktur beberapa karotenoid. Β-karoten merupakan karotenoid kuning hingga merah dengan rumus empiris C40H56. Lutein adalah xantofil kuning dengan rumus empiris C40H56O2. Likopen, karoten kemerahan dengan rumus empiris C40H56. Likopen tidak dijumpai di kloroplas tetapi memberi warna merah pada buah tomat.
5.3. Spektrum Absorbsi
Prinsip dasar penyerapan cahaya, sering disebut Hukum Stark Einstein, adalah
bahwa tiap molekul hanya dapat menyerap satu foton setiap kali, dan foton ini
menyebabkan eksitasi satu elektron saja. Elektron bervalensi (ikatan) tertentu
pada orbit keadaan-dasar yang stabil adalah yang biasanya tereksitasi, dan tiap
elektron dapat dilemparkan dari keadaan-dasarnya ke dalam inti bermuatan
positif dengan jarak yang sesuai dengan energi yang diserap oleh foton. Molekul
Biologi UNM, 2008 101
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
pigmen kemudian berada dalam keadaan tereksitasi, dan energi eksitasi inilah
yang digunakan dalam fotosintesis.
Daun sebagian besar spesies tumbuhan menyerap lebih dari 90% panjang
gelombang ungu dan biru yang mengenainya, dan hampir sebesar persentase
panjang gelombang jingga dan merah. Hampir semua penyerapan ini dilakukan
oleh pigmen kloroplas. Di tilakoid, tiap foton dapat mengeksitasi sebuah elektron
pada karotenoid atau klorofil. Klorofil berwarna hijau karena tidak efektif dalam
menyerap panjang gelombang hijau, melainkan memantulkan atau
melalukannya. Kita dapat mengukur penyerapan nisbi berbagai panjang
gelombang cahaya oleh pigmen yang dimurnikan denga menggunakan
spektrofotometer. Grafik penyerapan ini merupakan fungsi dari panjang
gelombang yang disebut spektrum absorpsi. Spektrum absorpsi pigmen-pigmen
fotosintesis dapat dilihat di dalam gambar 5.6. Terlihat bahwa sangat sedikit
cahaya hijau dan kuning-hijau antara 500-600 nm yang diserao in vitro, dan
kedua klorofil menyerap dengan kuat panjang gelombang ungu, biru, jingga, dan
merah.
Sebagian besar karotenoid (β-karoten maupun xantofil) di tilakoid secara efisien
memindahkan energi eksitasinya ke pusat reaksi seperti dilakukan klorofil,
sehingga mereka berperan dalam fotosintesis. β-karoten dan lutein hanya
menyerap panjang gelombang biru dan ungu in vitro. Keduanya memantulkan
dan melalukan panjang gelombang hijau, kuning, jingga, dan merah; dan
perpaduan ini terlihat berwarna kuning atau jingga bagi kita. Di samping
fungsinya sebagai pengumpul-cahaya yang bermanfaat bagi fotosintesis,
karotenoid juga berfungsi melindungi klorofil dari kerusakan akibat oksidasi oleh
O2 saat tingkat penyinaran tinggi.
Biologi UNM, 2008 102
Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.
Klorofil merupakan senyawa kompleks. Semua organisme fotosintetik
(tumbuhan, protista tertentu, proklorobakteria, dan sianobakteria) mempunyai
klorofil a. Hanya klorofil a yang dapat berperan serta secara langsung dalam
reaksi terang, yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia. Pigmen lain
(pigmen pelengkap) dalam membran tilakoid dapat menyerap cahaya dan
mentransfer energinya ke klorofil a, yang kemudian mengawali reaksi terang.
Salah satu dari pigmen pelengkap ini adalah klorofil b. Klorofil b ini hampir identik
dengan klorofil a (lihat gambar 5.4), tetapi perbedaan kecil di antara keduanya
telah cukup untuk membuat kedua pigmen tersebut mempunyai spektrum
absorpsi yang berbeda. Klorofil a menyerap energi dari violet-biru dan orange-
merah, dan sedikit energi gelombang hijau-kuning-orange. Karotenoid dan
klorofil b menyerap sebagian kecil dari energi dalam panjang gelombang hijau.