Pengantar Fotosintesis

Pendahuluan Fotosintesis

• Fotosintesis adalah proses menghasilkan gula dari karbondioksida (CO2) dan air (H2O).
• Klorofil, pigmen hijau pada tumbuhan, berperan penting dalam proses ini.
• Fotosintesis adalah proses fisika biokimiawi yang menghasilkan bahan organik dari bahan anorganik stabil
• Menggunakan bantuan cahaya matahari.
• Senyawa yang mengandung karbon (gula = C6H12O6) diproses dari CO2 dan H2O oleh tumbuhan hijau,
• Cahaya matahari dibutuhkan dalam proses, O2 adalah hasil sampingan.

Reaksi Fotosintesis

• Persamaan reaksi fotosintesis: 6CO2 + 6H2O + cahaya matahari → C6H12O6 + 6O2.
• Enam molekul karbondioksida bereaksi dengan enam molekul air.
• Menghasilkan satu molekul glukosa dan enam molekul oksigen.

Komponen yang Terlibat dalam Fotosintesis

• Karbondioksida (CO2): Diserap dari atmosfer melalui mulut daun dan lebih banyak terdapat di permukaan tanah.
• Air (H2O): Diperoleh dari dalam tanah.
• Glukosa: Dikenal juga sebagai dextrose (karbohidrat) dan tersusun atas elemen karbon, hidrogen, dan oksigen.
• Oksigen: Produk fotosintesis yang dilepaskan ke udara dan digunakan oleh makhluk hidup.
• Cahaya Matahari: Sumber tenaga dalam fotosintesis; intensitasnya dipengaruhi morfologi daun.
• Klorofil: Zat hijau daun yang mengkonversi energi sinar menjadi energi kimia.
  • Jumlah dan penyebarannya bervariasi mengikuti spesies, lingkungan, dan umur daun.
  • Terdiri dari blue-green chlorophyll a (C55H72O5N4Mg) dan yellow-green chlorophyll b (C55H70O6N4Mg) pada tumbuhan tingkat tinggi.
  • Perbandingan pigmen bervariasi, tumbuhan berbunga umumnya memiliki perbandingan 3:1.

Struktur Kloroplas

• Tilakoid adalah sistem membran dalam kloroplas tempat terjadinya reaksi terang dan memisahkan kloroplas menjadi ruang tilakoid dan stroma.
• Grana adalah kumpulan tilakoid dalam kloroplas.
• Stroma adalah daerah cair antara tilakoid dan membran dalam, tempat terjadinya siklus Calvin.
• Kloroplas berbentuk ovoid atau piring dengan diameter 5 µm dan tebal 2-3 µm.

Pigmen Fotosintesis

• Pigmen adalah substansi yang menyerap cahaya tampak, menyerap panjang gelombang kecuali hijau.
• Pigmen utama meliputi:
  • Klorofil a (hijau tua, C55H72O5N4Mg)
  • Klorofil b (hijau muda, C55H70O6N4Mg)
  • Karotenoid (Karotene dan Xantofil)

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Klorofil

• Faktor Internal:
  • Potensial genetik: Pembentukan klorofil diatur oleh gen dalam kromosom. Mutasi gen dapat menyebabkan albino (klorofil tidak terbentuk).
  • Suplai karbohidrat: Defisit karbohidrat menghambat pembentukan klorofil.
• Faktor Lingkungan:
  • Cahaya: Esensial untuk pembentukan klorofil; tanaman dalam gelap menghasilkan protoklorofil yang perlu diubah menjadi klorofil melalui reduksi cahaya.
  • Suhu: Sintesis klorofil terjadi dalam rentang suhu yang lebar (3-48°C adalah kondisi yang baik). Mineral: Kekurangan N, Fe, dan Mg dapat menyebabkan klorosis. Air: Moderat stress menurunkan pembentukan klorofil, sedangkan stress parah menyebabkan kerusakan klorofil. Oksigen: Diperlukan untuk suplai energi metabolik dalam pembentukan klorofil dan penting untuk perkecambahan.

Mekanisme Fotosintesis

• Organisme dengan kloroplas mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimia.
• Terdiri dari dua lintasan metabolik: reaksi terang dan siklus Calvin.
• Reaksi terang mengubah energi matahari menjadi energi seluler.
• Siklus Calvin melakukan reduksi CO2 menjadi CH2O (gula).

Tahapan dalam Fotosintesis

• Penangkapan cahaya matahari oleh kloroplas.
• Pemisahan molekul air (H2O) diikuti pelepasan elektron berenergi tinggi dan penghasilan O2.
• Transfer elektron yang menyebabkan pembentukan energi kimia (ATP) dan tenaga pereduksi (NADPH).
• Penggunaan ATP dan NADPH untuk fiksasi CO2 menjadi karbohidrat kompleks seperti sukrosa, pati, dan selulosa.
• NADPH adalah Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat, ATP adalah Adenosin trifosfat, energi dalam sistem biologi

Reaksi Terang (Fotofosforilasi)

• Penangkapan energi cahaya oleh kloroplas dan pemecahan H2O menghasilkan energi dan oksigen (O2).
• Fotolisis: 2 H2O → 4 e- + 4 H+ + O2
• Pembentukan ATP dan tenaga pereduksi (NADPH).
  • 4e- → 4ATP
  • 2NADP → 4NADPH
• Persamaan reaksi terang: 2H2O + 2 NADP+ → 2NADPH + O2 + 4ATP + 2 H+
• Energi cahaya diubah menjadi energi kimia dengan oksigen sebagai produk sampingan.
• Peristiwa terjadi di membran tilakoid; energi cahaya digunakan untuk membentuk ATP dari ADP dan fosfat melalui fotolisis air.

Reaksi Gelap (Fiksasi CO2)

• Penggunaan ATP dan NADPH untuk fiksasi CO2 dan reduksi menjadi KH kompleks.
• Melibatkan enzim seperti RUBP dan PEP carboxilase.

Jenis Tanaman Berdasarkan Jalur Fiksasi CO2

• Tanaman C3: Sebagian besar tumbuhan.
• Tanaman C4: Contohnya jagung dan tebu.
• Tanaman CAM (Crassulacean Acid Metabolism): Contohnya tumbuhan gurun seperti kaktus.

C3 (Siklus Calvin-Benson)

• Senyawa pertama yang terbentuk adalah PGA (Phospho Glyceric Acid) dengan 3 atom C. RuBP (Ribulose mono-P) + CO2 → 2 PGA
• Enzim utama: RuBP Carboxilase (RUBISCO).
• RUBISCO dihambat oleh O2, menyebabkan fotosintesis turun jika O2 meningkat.
• Titik kompensasi CO2 tinggi dengan fotorespirasi tinggi.
• Klorofil terdapat di mesofil; sel bundle sheath sedikit atau tidak ada.

C4 (Siklus Hatch-Slack)

• Senyawa pertama yang terbentuk adalah senyawa dengan 4 atom C seperti asam aspartat, malat, dan oksaloasetat. PEP (Phosphoenol Piruvat) + CO2 → As Oksaloasetat
• Enzim PEP Carboxylase memiliki afinitas tinggi terhadap CO2 dan tidak tergantung pada konsentrasi oksigen.
• Titik kompensasi CO2 rendah.
• Fiksasi CO2 awal terjadi di mesofil, lalu asam yang terbentuk ditransport ke sel bundle sheath.
• Sel bundle sheath melepaskan CO2 yang akan masuk ke siklus Calvin dan meningkatkan konsentrasi CO2.
• PEP kembali masuk ke siklus Hatch-Slack; fotorespirasi rendah.
• CO2 hasil respirasi dimanfaatkan kembali dalam siklus Hatch-Slack dan Calvin.
• Melibatkan enzim RUBISCO dan PEP-Carboxylase.

CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

• Mekanisme fiksasi CO2 mirip C4, melibatkan siklus Hatch-Slack dan Calvin, serta enzim PEP dan RuBPcarboxilase.
• C4 terjadi pada ruang yang berbeda, sedangkan CAM terjadi pada waktu yang berbeda.
• Malam hari: Stomata membuka, fiksasi CO2 membentuk asam oksaloasetat dan malat oleh enzim PEP karboksilase.
• Siang hari: Stomata menutup (mengurangi transpirasi); dekarboksilase melepaskan CO2 yang digunakan dalam siklus Calvin.
• Umumnya terjadi pada tumbuhan sukulen.