I. Pengertian Fotosintesis Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan atau energi yaitu glukosa yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri dengan menggunakan zat hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan energi cahaya matahari. Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis ( photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang Fotosintesi juga tergolong proses anabolisme, yaitu suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Anabolisme memerlukan energi. Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolime adalah sintesis atau penyusunan. Salah satu peristiwa anabolisme adalah fotosintesis. Fotosintesis yang biasa dikenal hanyalah proses yang secara sederhana dapat dilihat sebagai berikut: 6 H2O + 6 CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6 O2 1
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
I. Pengertian Fotosintesis
Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan atau energi yaitu
glukosa yang dilakukan tumbuhan, alga, dan beberapa jenis bakteri dengan menggunakan zat
hara, karbondioksida, dan air serta dibutuhkan bantuan energi cahaya matahari. Hampir semua
makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis
menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian
besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui
fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu
cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi
gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk
mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri
belerang
Fotosintesi juga tergolong proses anabolisme, yaitu suatu peristiwa perubahan senyawa
sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau
penyusunan. Anabolisme memerlukan energi. Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan
senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolime adalah sintesis atau
penyusunan. Salah satu peristiwa anabolisme adalah fotosintesis. Fotosintesis yang biasa dikenal
hanyalah proses yang secara sederhana dapat dilihat sebagai berikut:
6 H2O + 6 CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6 O2
Akan tetapi proses tersebut tidak sesederhana yang dibayangkan. Banyak reaksi-reaksi biokimia
lain yang terlibat di dalam fotosintesis yang akan dibahas lebih lanjut dalam makalah ini.
II. Sejarah Singkat Fotosintesis
II.1Joseph Priestley
Pada tahun 1772, Joseph Priestley, salah seorang penemu
molekul oksigen, melakukan penelitian dan menyimpulkan bahwa
tumbuhan mengubah udara yang dikeluarkan hewan menjadi
udara segar. Priestley melakukan eksperimen bahwa jika di dalam
tabung tertutup diletakkan tikus dan tumbuhan, tikus tetap hidup.
Selanjutnya, kita mengetahui bahwa tumbuhan menggunakan
karbon dioksida yang dikeluarkan oleh hewan, dan hewan
1
menyerap oksigen yang dihasilkan tumbuhan. Skema percobaan yang dilakukan Joseph Priestley
dapat dilihat pada gambar disamping.
II.2Jan Ingenhouz
Pada tahun 1779, Jan Ingenhousz, seorang dokter dan peneliti dari Belanda, membuat
percobaan dengan menggunakan tanaman air Hydrilla verticillata di bawah corong terbalik.
Percobaan yang dilakukan adalah dengan cara memasukkan tanaman air Hydrilla verticillata ke
dalam bejana berisi air. Bejana tersebut ditutup dengan corong terbalik dan di atasnya diberi
tabung reaksi yang juga penuh terisi air. Rangkaian percobaan tersebut selanjutnya didedahkan
ditempat yang mendapat cahaya matahari. Setelah beberapa saat dari tanaman percobaan tersebut
muncul gelembung-gelembung udara yang tertampung pada dasar tabung reaksi yang posisinya
terbalik. Dari percobaan yang dilakukanIngenhousz menyimpulkan, bahwa fotosintesis
menghasilkan O2.
II.3Robert Mayer
Pada tahun 1842, Robert Mayer, penemu hukum pertama termodinamika mengenai
konservasi energi, menuliskan makalah dimana ia menyimpulkan bahwa sinar matahari
memberikan energi bagi pembentukan produk fotosintesis.
Jadi, pada pertengahan abad ke-19, disepakati bahwa persamaan reaksi umum untuk fotosintesis
tumbuhan adalah :
III. Macam Organisme fotosintetik
Berdasarkan kemampuannya dalam menghasilkan oksigen, Organisme fotosintetik dapat
dibagi menjadi dua golongan, yaitu organisme yang dapat menghasilkan oksigen dan organism
yang tidak menghasilkan oksigen.
III.1 Organisme Penghasil Oksigen
Sel daun hijau tumbuhan tingkat tinggi merupakan penghasil oksigen. Organisme ini
bersifat autotrof, yang artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik.
Tumbuhan menggunakan karbondioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang
2
nH2O + nCO2 (CH2O)n + nO2
diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis.
Dalam prosesnya, organisme ini menggunakan air sebagai pemberi hidrogen untuk mereduksi
karbondioksida. Persamaan reaksinya adalah :
Dengan n seringkali ditetapkan dengan nilai 6, sesuai dengan pembentukan gula yang
dihasilkan, yaitu glukosa, sebagai produk akhir reduksi CO2.
Selain tumbuhan tingkat tinggi, cyanobakteri juga termasuk dalam organism fotosintetik
penghasil oksigen. Hal ini dikarenakan cyanobakteri memiliki sistem fotosintetik yang serupa
dengan yang dimiliki tumbuhan hijau.
III.2 Organisme Yang Tidak Menghasilkan Oksigen
Bakteri fotosintetik pada umumnya tidak menghasilkan oksigen. Bahkan banyak
diantaranya yang yang bersifat anaerobik mutlak dan tidak dapat hidup dengan adanya oksigen.
Sebagai donor hidrogen, beberapa bakteri fotosintetik mempergunakan senyawa anorganik.
Sebagai contoh, bakteri sulfur hijau menggunakan hidrogen sulfida sebagai donor hidrogen.
Bakteri ini, bukannya melepaskan molekul oksigen, tetapi melepaskan unsure sulfur sebagai
produk oksidasi H2S. bakteri fotosintetik lain menggunakan senyawa organik sebagai donor
hidrogen, contohnya adalah laktat.
Cornelis van Niel, seorang pelopor di dalam penelitian metabolism komparatif,
mengemukakan hipotesis bahwa fotosintesis tumbuhan dan bakteri pada dasarnya serupa,
walaupun ada perbedaan di dalam jenis molekul donor hidrogen yang dipergunakan.
IV. Tempat berlangsungnya fotosintesis
Daun merupakan tempat utama terjadinya proses fotosintesis. Daun terdiri dari beberapa
jaringan dan beberapa bagian-bagian lainnya. Daun pada umumnya terdiri dari lapisan kutikula,
lapisan epidermis atas dan epidermis bawah, jaringan mesofil daun, dan jaringan spons. Jaringan
epidermis tidak memiliki ruang antar sel dan berfungsi melindungi bagian-bagian daun yang ada
di bawah/atasnya. Di jaringan epidermis, terdapat banyak stomata. Stomata adalah lubang-
lubang kecil berbentuk lonjong yang dikelilingi oleh dua sel epidermis khusus yang disebut sel
penutup (Guard Cell).
3
Fotosintesis sendiri sebenarnya terjadi di kloroplas. Kloroplas terdapat pada jaringan
mesofil daun kecuali lapisan epidermis. Kloroplas juga terdapat di bagian-bagian tanaman yang
berwarna hijau, misalnya batang atau ranting daun yang berwarna hijau, dll.
Bentuk kloroplas berbeda untuk setiap spesies, tetapi biasanya jauh lebih besar
volumenya dibandingkan dengan mitokondrion. Organel ini dikelilingi oleh membran luar yang
bersambungan, yang bersifat agak rapuh. Suatu sistem membran membungkus ruangan bagian
dalam organel. Di dalamnya, dan seringkali berhubungan dengan membran bagian dalam,
terdapat banyak kantung pipih yang dikelilingi membran, yang dinamakan tilakoid. Susunan dari
tilakoid ini dinamakan grana. Membran tilakoid mengandung semua pigmen fotosintetik pada
kloroplas dan semua enzim yang diperlukan bagi reaksi primer yang bergantung kepada cahaya
matahari. Cairan di dalam ruang yang melingkupi kantung tilakoid dinamakan stroma. Stroma
mengandung hampir semua enzim yang diperlukan bagi reaksi gelap, yang mereduksi CO2
untuk membentuk glukosa.
Struktur kloroplas dapat dilihat pada gambar berikut.
4
V. Macam Pigmen Tumbuhan
Pada tumbuhan didapatkan bermacam-macam pigmen yang berperan menyerap energi
cahaya. Pigmen fotosintetis terdapat dalam kloroplas yang terdiri dari klorofil a, b, xantofil,
karotenoid, dan lain sebagainya. Pigmen ini menyerap warna atau gelombang cahaya yang
berbeda-beda. Masing-masing menyerap maksimum pada gelombang cahaya tertentu.
Pigmen umumnya mempunyai penyerapan maksimum pada gelombang cahaya pendek
dan juga panjang. Untuk memaksimalkan penyerapan energi cahaya, maka pada kloroplas
terdapat kelompok pemanen cahaya yang disebut dengan antena yang terdiri dari bermacam-
macam pigmen, pigmen yang paling banyak pada kloroplas adalah klorofil.
Klorofil merupakan pigmen yang berwarna hijau yang terdapat pada kloroplast. Pigmen
ini berguna untuk melangsungkan fotosintesis pada tumbuhan. Aneka bentuk dan ukuran
kloroplast ditemukan pada berbagai tumbuhan. Pigmen warna hijau yang terdapat pada kloroplas
disebut dengan klorofil dan dari zat inilah warna daun berasal.
Klorofil merupakan suatu kompleks Mg²+ yang menyerupai protoporfirin hemoglobin.
Terdapat dua jenis klorofil, yaitu klorofil a dan klorofil b. Klorofil a, terdapat di dalam kloroplas
semua sel tumbuhan hijau, terdiri dari empat cincin piroltersubstitusi, satu diantaranya (cincin
IV) tereduksi. Klorofil a juga mempunyai cincin kelima, yang bukan merupakan pirol. Klorofil a
juga memiliki rantai isoprenoid panjang, yang terdiri dari fitol alcohol yang teresterifikasi
dengan gugus karboksil substituent pada cincin IV. Keempat atom nitrogen sentral klorofil a
dikoordinasikan dengan Mg²+. Sedangkan untuk klorofil b, memiliki suatu gugus aldehid sebagai
pengganti gugus metal yang terikat pada cincin II. Kebanyakan tumbuhan tinggi mengandung
kurang lebih dua kali banyak klorofil a dibanding klorofil b.
Selain klorofil, membrane tilakoid mengandung pigmen lain penyerap cahaya, yang secara
bersama-sama disebut pigmen pelengkap. Pigmen pelengkap ini mengandung berbagai macam
karetenoid, yang mungkin berwarna merah, kuning, atau ungu. Yang paling penting adalah
karoten-β, dan karoten kuning xantofil. Pigmen karotenoid menyerap cahaya pada panjang
gelombang yang berbeda denganyang diserap oleh klorofil dan karenanya merupakan penerima
cahaya yang saling melengkapi.
5
VI. Dua Macam Reaksi Fotokimia Pada Membran Tilakoid
Pada lingkungan aslinya dalam membrane tilakoid, klorofil tersususn bersama protein
dan molekul organic yang lebih kecil lainnya menjadi fotosistem . Fotosistem memilki
“kompleks antena” pengumpul – cahaya yang tersusun atas suatu kumpulan dari beberapa ratus
klorofil α ,dan b , dan molekul karotenoid. Semua molekul pigmen didalam fotositem dapat
menyerap foton, tetapi hanya ada satu molekul dalam stiap kelompok yang benar-benar dapat
mengubah cahaya menjadi energy kimia. Hanya molekul klorofil ini yang ditempatkan di dearah
fotosistem yang disebut pusat reaksi fotokimia.
Membran tilakoid kloroplas pada tumbuhan memiliki dua macam fotosistem, masing-
masing dengan rangkaian klorofil pemanen cahaya/antena, molekul karotenoid dan pusat reaksi
fokimianya sendiri. Fotosistem I, yang tereksitasi secara maksimum oleh cahaya pada panjang
gelombang yang lebih panjang memiliki rasio klorofil a terhadap klorofil b lebih tinggi.
Fotosistem II, yang tereksitasi secara maksimum oleh cahaya dibawah 680 nm, mengandung
relative lebih banyak klorofil b dan mungkin juga mengandung klorofil c.
6.1 Fotosistem
Fotosistem merupakan suatu unit yang terdiri atas klorofil a, kompleks antene dan
akseptor elektron yang mampu menangkap energi cahaya (foton) matahari. Jika klorofil hanya
menyerap cahaya merah, ungu, dan biru kemudian dipantulkan kembali maka terlihat warna
hijau. Warna klorofil dapat berbeda-beda tergantung dari jenis klorofil dan cahaya yang terserap
kemudian dipantulkan. Ada dua macam klorofil, yaitu sebagai berikut.
1) Klorofil a, yaitu klorofil yang memiliki pigmen warna hijau, pigmen merupakan senyawa
kimia yang dapat menyerap cahaya tampak.
2) Klorofil b, klorofil yang memiliki pigmen warna kuning sampai jingga disebut karoten
memiliki struktur mirip dengan klorofil a.
Cahaya yang terserap klorofil a merupakan cahaya yang berenergi tinggi, sehingga dapat
menyebabkan terlemparnya elektron yang ada pada pigmen. Elektron yang terlempar keluar orbit
berada dalam keadaan tidak stabil yang menyimpan energi tinggi disebut tereksitasi. Dalam
keadaan demikian, klorofil berusaha mensuplai elektron dari molekul lain dan dalam waktu
bersamaan H2O terpecah menjadi 2H+, OH- dan elektron (fotolisis), elektron dari air ini diambil
untuk menstabilkan keadaan klorofil kembali.
6
Pada klorofil a terdapat dua macam fotosistem, yaitu fotosistem I atau disebut P700
karena sensitif terhadap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm dan fotosistem II atau
disebut P680 yang sensitif terhadap energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm.
Proses penyerapan energi cahaya dapat mengakibatkan terlepasnya elektron berenergi
tinggi dari klorofil a, selanjutnya disalurkan dan ditangkap oleh akseptor elektron, maka proses
tersebut merupakan awal dari proses terjadinya proses fotosintesis. Proses berikutnya elektron
masuk dalam aliran elektron, jika elektronnya berasal dari fotosistem I bersifat nonsiklus dan
apabila elektronnya berasal dari fotosistem II bersifat siklus.
7
Gbr. Skema Z
Skema Z menunjukan Hubungan energi. Untuk meningkaktkan energi elektron yang
berasal dari air sampai ke tingkat energi yang dibutuhkan untuk mereduksi NADP+ menjadi
NADPH.
6.2 Aliran Elektron pada Fotosistem
Perjalanan yang ditempuh oleh electron pada fotosistem ada dua yaitu sebagai berikut :
Aliran Elektron Fotositem I Bersifat Siklus
Cahaya berenergi tinggi yang terserap klorofil a dapat menyebabkan elektron (e-) berasal
dari fotosistem I atau P700 terlempar keluar orbitnya. Pada saat perjalanan elektron (e-) berasal
dari P700 yang terlempar keluar orbit tersebut lalu ditangkap oleh akseptor penerima elektron
seperti plastokuinon atau sitokrom. Kemudian elektron itu pindah ke akseptor lain, lalu pindah
kembali ke klorofil P700 semula. Selama proses perpindahan dari akseptor satu ke akseptor lain
terdapat energi yang terlepas dari elektron, energi tersebut digunakan dalam fotofosforilasi siklik
dengan produk akhir berupa ATP, dan tidak dihasilkan NADPH serta O2.
8
Pembentukan ATP melalui fotofosforilasi siklik
ATP digunakan sebagai energi yang dapat dimanfaatkan dalam proses biologis sel-sel
organisme, seperti yang telah kita pelajari sebelumnya. Dalam hal ini ATP berguna dalam
pembentukan karbohidrat. Sintesis ATP dalam kloroplas disebut sebagai fotofosforilasi.
Aliran Elektron Fotositem II Bersifat Nonsiklus
Perjalanan aliran elektron fotosistem II, elektronnya (e-) juga berasal dari P700. Elektron
(e-) yang terlempar keluar orbit dan ditangkap oleh akseptor elektron yaitu NADPH2 kemudian
elektron (e-) bersamaan dengan 2H- berasal dari pecahan H2O mengikuti jalannya elektron siklik
pindah ke akseptor lain seperti plastosianin atau feredoksin.
Selanjutnya elektron itu pindah dan tidak kembali ke klorofil P700, tetapi mengalir
melalui membran tilakoid. Dengan pelepasan elektron tersebut, maka P700 menjadi molekul
yang teroksidasi sehingga menyedot elektron dari P680 berenergi tinggi yang berasal dari energi
cahaya (foton) matahari.
Molekul NADPH2 dan ATP yang berenergi tinggi digunakan untuk mengubah CO2 dan
H2O menjadi produk gula (seperti glukosa, maltosa, fruktosa dan amilum) dan O2.