Fotosintesis merupakan kata yang berasal dari bahasa Yunani, yakni foto dan synthesis. Foto sendiri diartikan sebagai cahaya sedangkan synthesis merupakan kata yang bermakna menggabungkan atau penggabungan. Kata fotosintesis sering digunakan dala lingkup kajian ilmu biologi. Apa sebenarnya fotosintesis tersebut? Secara sederhana, ia bisa diartikan sebagai proses pembuatan makanan yang dilakukan oleh tumbuhan berwarna hijau dengan melibatkan cahaya matahari di dalamnya. Selain matahari, proses fotosintesis ini juga melibatkan beberapa enzim. Proses fotosintesis ini biasa dilakukan oleh tumbuh-tumbuhan, beberapa jenis alga dan juga bakteri dalam rangka menghasilkan energi yang akan digunakan dalam berbagai aktifitas. Energi tersebut biasa juga disebut dengan nutrisi.
Daun pada tumbuhan memiliki fungsi utama yakni sebagai tempat terjadinya proses fotosintesis. Sebenarnya, fotosintesis tak hanya penting bagi tumbuhan tetapi juga bagi semua makhluk hidup yang menghuni bumi. Mengapa? Sebab oksigen yang ada di bumi ini sebagian besar diproduksi oleh tumbuhan. Hal inilah yang menjadikan pepohonan sering dijuluki paru-paru planet bumi. Organisme yang melakukan proses fotosintesis dikenal dengan nama fototrof. Fotosintesis sebenarnya merupakan salah satu cara asimilasi karbon sebab pada proses fotosintesis , karbon
bebas kemudian diikat sehingga menjadi gula.
Proses fotosintesis pada terdapat pada tumbuhan hijau yang bersifat autotrof yakni bisa menyusun makanannya sendiri. Melalui daun, tumbuhan menyerap molekul karbondioksida juga air dalam rangka menghasilkan gula dan juga oksigen. Kedua senyawa tersebut kemudian akan digunakan sebagai penyokong pertumbuhannnya. Adapun persamaan rekaksi yang terjadi dalam
6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2
Tumbuhan yang melakukan proses fotosintesis memerlukan bantuan cahaya matahari. Mereka mampu menyerap cahaya tersebut sebab mereka memiliki zat hijau daun atau klorofil. Klorofil ini sendiri ada di dalam bagian organel bernama kloroplast. Pada bagian daun tumbuhan, terdapat dua lapisan sel yang dinamai denegan mesofil. pada bagian ini terdapat kurang lebih setengah juta kloroplast yang tersebar di setiap millimeter persegi. Cahaya matahari selanjutnya akan melewati lapisan epidermis yang tanpa warna kemudian melaju menuju mesofil. Pada bagian
inilah sebagian besar kegiatan fotosintesis berlangsung.
Proses fotosintesis ini sendiri cukup kompleks dan masih dalam penelitian beberapa ahli. Masih ada banyak hal yang belum berhasil diungkapkan. Mengapa proses ini kompleks? Sebab ia melibatkan hampir semua cabang ilmu sains, misalnya bilologi, kimia dan juga fisika. Organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun tepatnya pada bagian stomata atau mulut daun. Proses fotosintesis ini terdiri atas dua rangkaian reaksi yakni reaksi terang dan juga reaksi gelap. Dinamakan rekasi terang sebab prosesnya membutuhkan cahaya. Sementara itu reakasi gelap adalah proses fotosintesis yang tidak lagi melibatkan cahaya tetapi hanya karbondioksida. Dalam proses fosintesis, reaksi terang merupakan proses yang pada akhirnya menghasilkan ATP juga NADPH2. Dalam rekasi ini diperlukan molekul air. Proses rekais terang dimulai dengan menangkap foton yang dilakukan oleh pigmen klorofil yang berperan sebagai antenna. Di dalam daun, cahaya akan diserap melalui molekul klorofil dan kemudian dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi. Fotosintesis dimulai pada saat cahaya mulai mengionisasi molekul klorofil dan kemudian terjadi pelepasan electron.
Sementara itu, apa yang dimaksud dengan reaksi gelap adalah proses dimana ATP dan juga NADPH yang dihasilkan dalam proses sebelumnya kemudian menghasilkan sejumlah proses atau reaksi biokimia.Pada tumbuhan sendiri, reaksi biokimia ini akan terjadi siklus calvin dimana karbondioksida akan diikat dengan tujuan membentuk ribose dan lebih lanjut akan menjadi glukosa. Reaksi ini tidak bergantung pada ada atau tidaknya cahaya matahari. Laju proses fotosintesis pada tumbuhan bisa berlangsung dengan laju maksimal jika unsur-unsur
pendukungnya terpenuhi yakni antara lain: cahaya, konsentrasi karbondiosida, suhu, kadar air, jumlah fotosintet atau hasil fotosintesis dan kemudian tahap pertumbuhan tanaman itu sendiri. Berikut ini persamaan fotosintesis yang menghasilkan produk karbohidrat (dalam hal ini glukosa), berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya :
6CO2 + 12H2O + energi cahaya → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O atau disederhanakan menjadi
6CO2 + 6H2O + energi cahaya → C6H12O6 + 6O2
Pada sel tumbuhan terdapat bagian yang berukuran kecil dan tersusun oleh zat putih telur dengan struktur (memipih) dan fungsi tertentu, disebut plastida. Plastida dibedakan menjadi plastida berpigmen dan tidak berpigmen. Kloroplas merupakan salah satu plastida yang berpigmen tersebut.
Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa fotosintesis terjadi pada tumbuhan yang berwarna hijau. Bahan-bahan yang dapat menyerap cahaya tampak disebut pigmen. Warna hijau pada bagian tumbuhan disebabkan oleh pigmen hijau (pigmen yang memantulkan atau meneruskan cahaya hijau) yang terkandung di dalam kloroplas, yaitu klorofil.
Pada setiap millimeter persegi permukaan daun terdapat sekitar ½ juta kloroplas. Oleh karena itu, daun merupakan bagian yang dominan berwarna hijau dan merupakan tempat utama untuk fotosintesis pada sebagian besar tumbuhan. Selain itu, fotosintesis juga dapat terjadi pada bagian batang yang hijau dan buah yang belum masak.
Kloroplas terdapat pada bagian dalam daun yang tersusun oleh sel-sel hidup dan dapat melakukan proses-proses fisiologi, disebut mesofil. Di dalam kloroplas terdapat cairan atau fluida kental disebut stroma dan membran-membran halus berbentuk pipih seperti koin, sebagai tempat klorofil, disebut membran tilakoid. Di dalam membran tersebut terdapat ruangan yang disebut ruang tilakoid (lumen). Tumpukan dari beberapa membran tilakoid membentuk struktur yang disebut grana (tunggal = granum). Kloroplas diselubungi oleh 2 membran, yaitu membran dalam dan membran luar. Pada fotosintesis, masuknya karbondioksida ke daun dan keluarnya oksigen yang dihasilkan, melewati struktur yang disebut stomata (tunggal = stoma, dalam bahasa Yunani berarti mulut). Sebagaimana rangkaian reaksi kimia pada respirasi, rangkaian reaksi kimia pada fotosintesis merupakan reaksi penyederhanaan dari 2 tahapan reaksi dalam fotosintesis. Kedua reaksi tersebut adalah reaksi terang (disebut bagian foto) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (disebut bagian sintesis).
Gambar 1. Kloroplas
Sebagaimana rangkaian reaksi kimia pada respirasi, rangkaian reaksi kimia pada fotosintesis merupakan reaksi penyederhanaan dari 2 tahapan reaksi dalam fotosintesis. Kedua reaksi tersebut adalah reaksi terang (disebut bagian foto) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (disebut bagian sintesis).
a. Reaksi Terang
Pada reaksi terang, energi yang berasal dari matahari ( energi cahaya) akan diserap oleh klorofil dan diubah menjadi energi kimia (untuk mensintesis NADPH dan ATP) di dalam kloroplas. Reaksi terang terjadi di dalam grana. Salah satu pigmen yang berperan secara langsung dalam reaksi terang adalah klorofil a. Di dalam membran tilakoid, klorofil bersama-sama dengan protein dan molekul organik berukuran kecil lainnya membentuk susunan yang disebut fotosistem. Beberapa ratus klorofil a, klorofil b, dan karotenoid membentuk suatu kumpulan sebagai “pengumpul cahaya” yang disebut kompleks antena. Sebelum sampai ke pusat reaksi, energi dari partikel-partikel cahaya (foton) akan dipindahkan dari satu molekul pigmen ke molekul pigmen yang lain. Pusat reaksi merupakan molekul klorofil pada fotosistem, yang berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi kimiawi (reaksi cahaya) fotosintesis pertama kalinya.
Di dalam membran tilakoid terdapat 2 macam fotosistem berdasarkan urutan penemuannya, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Setiap fotosistem tersebut mempunyai klorofil pusat reaksi yang berbeda, tergantung dari kemampuan menyerap panjang gelombang cahaya. Klorofil pusat reaksi pada fotosistem I disebut P700, karena mampu menyerap panjang gelombang cahaya 700 nm (spektrumnya sangat merah), sedangkan pada fotosistem II disebut P680 (spektrum merah).
Gambar 2. Kerja fotosistem
Kalian tentu masih ingat bahwa di dalam fotosistem terdapat ratusan antena atau klorofil. Oleh karena itu, aliran elektron pada reaksi terang akan mengikuti suatu rute tertentu. Selanjutnya, bagaimanakah proses aliran elektron pada reaksi terang? Ada 2 kemungkinan aliran elektron pada reaksi terang. Nah, untuk menjawab hal tersebut simaklah uraian berikut.
1) Aliran Elektron Non-siklik
Langkah awal dari reaksi terang adalah transfer elektron tereksitasi dari klorofil pusat reaksi menuju molekul khusus yang disebut akseptor elektron primer. Air (H2O) diuraikan menjadi 2 ion hidrogen dan 1 atom oksigen kemudian melepaskan
O
2 Elektron yang berasal dari air (H2O)menggantikan elektron yang hilang pada P680. Sebagaimana sistem transportasi elektron pada respirasi aerobik, transport elektron pada reaksi terang ini melalui rantai transport elektron menuju fotosistem I (P700). Secara berturut-turut, rantai elektron tersebut yiatu: plastokuinon (Pq), merupakan pembawa elektron; kompleks sitokrom; dan plastosianin (Pc), merupakan protein yang mengan dung tembaga. Adanya aliran elektron ini akan menghasilkan energi-energi yang kemudian tersimpan sebagai ATP. Pembentukan ATP yang menggunakan energi-energi cahaya melalui aliran elektron non siklis pada reaksi terang ini disebut fotofosforilasi non siklis. Setelah elektron mencapai fotosistem I (P700), elektron ditangkap oleh akseptor primer fotosistem I. Elektron melalui rantai transport elektron ke-dua, yaitu melalui protein yang mengandung besi atau feredoksin (Fd). Selanjutnya, enzim NADP+ reduktase mentransfer elektron ke NADP+ sehingga membentuk NADPH yang menyimpan elektron berenergi tinggi dan berfungsi dalam sintesis gula dalam siklus berikutnya yaitu siklus Calvin. Dengan demikian, reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH.
Gambar 3. Aliran elektron nonsiklik reaksi terang 2) Aliran elektron siklik
Pada aliran elektron siklis ini, elektron dari akseptor primer fotosistem I dikembalikan ke fotosistem I (P700) melalui feredoksin, kompleks sitokrom, dan plastosianin. Oleh karena itu, pada aliran siklis ini menyebabkan produksi ATP bertambah tetapi tidak terbentuk NADPH serta tidak terjadi pelepasan molekul O2. Proses pembentukan ATP melalui aliran siklis ini disebut fotofosforilasi siklis. Perhatikan Gambar 4.
Gambar 4. Aliran elektron siklik reaksi terang b.
