Fotosintesis adalah salah satu reaksi paling penting untuk kehidupan makhluk hidup aerobik. Kita, bersama dengan populasi manusia dan hewan lainnya, berhutang budi terhadap tanaman dan organisme lainnya yang menangkap cahaya dan melakukan fotosintesis. Hampir seluruh kehidupan di bumi ini bisa terjadi karena matahari mensuplai energi terhadap ekosistem. (Baca: Pengertian Fotosintesis)
Semua organisme, baik prokariyotik atau eukariotik, membutuhkan energi untuk menjalankan reaksi metabolik seperti pertumbuhan, perkembangan, dan reproduksi. Tetapi, energi dari matahari (dalam bentuk cahaya) tidak bisa dimanfaatkan langsung oleh organisme untuk kebutuhan metaboliknya. Maka, energi cahaya ini harus dikonversi terlebih dahulu menjadi energi kimiawi melalui proses yang disebut fotosintesis. (Baca: Proses Fotosintesis pada Tumbuhan)
Pengertian Fotosintesis
Fotosintesis adalah proses di mana energi cahaya dikonversi menjadi energi kimiawi dalam bentuk gula.
Dalam proses yang ditenagai oleh energi cahaya ini, molekul glukosa (atau gula lainnya) dibuat dari air dan karbon dioksida kemudian menghasilkan produk buangan (byproduct) yaitu oksigen.
Molekul glukosa menyediakan organisme dengan dua sumber daya yang krusial: energi dan karbon tetap (organik). (Baca: Perkembangbiakan Tumbuhan)
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, fotosintesis adalah reaksi penting dalam ekosistem di bumi.
Fungsi fungsi fotosintesis yang penting ini di antaranya adalah:
- Energi
Molekul glukosa bertindak sebagai bahan bakar untuk sel, energi kimia yang terkandung di dalamnya bisa digunakan melalui proses seperti respirasi seluler dan fermentasi, yang menghasilkan adenosine triphosphate (ATP), molekul kecil yang membawa energi, untuk kebutuhan energi sel. (Baca: Kebutuhan Makhluk Hidup)
- Karbon Tetap (Fixed Carbon)
Karbon dari karbon dioksida (karbon anorganik) bisa tergabung menjadi molekul organik, proses ini disebut fiksasi karbon, dan karbon dalam molekul organik disebut karbon tetap.
- Organisme Fotosintetis
Termasuk tanaman, alga, dan beberapa bakteri, memainkan peran penting dalam ekologi di bumi. Mereka mengkonversi energi matahari menjadi energi kimia dan memfiksasi karbon ke dalam ekosistem menggunakan cahaya untuk mensintesis gula.
Karena organisme-organisme ini memproduksi makanannya sendiri (memfiksasi karbonnya sendiri) menggunakan energi cahaya, mereka disebut fotoautotrof. Sedangkan organisme, termasuk hewan, fungi, dan beberapa prokariotik dan protista, yang tidak bisa memproduksinya makanan sendiri disebut heterotrof.
- Mengurangi Kadar Karbondioksida di Atmosfer
Selain menjadi sumber energi untuk hampir semua organisme dan memfiksasi karbon, fungsi lain dari fotosintesis yaitu membantu mengurangi kadar karbon dioksida di atmosfer dan menggunakan atom karbon untuk membentuk molekul organik. Tanpa tanaman dan alga yang terus menyedot karbon dioksida, gas ini akan terkumpul di atmosfer bumi dan menyebabkan efek rumah kaca. (Baca: Tumbuhan yang Menyimpan Cadangan Makanan)
Reaksi Terang Fotosintesis
Reaksi terang atau reaksi yang-membutuhkan-cahaya menggunakan energi cahaya matahari untuk membuat dua molekul yang dibutuhkan dalam tahap selanjutnya pada fotosintesis: ATP (molekul penyimpan energi) dan NADPH (pembawa elektron berkurang). Pada tanaman, reaksi terang terjadi di organel membran tilakoid yang disebut kloroplas. (Baca: Fungsi Cahaya Matahari Bagi Tumbuhan)
Fotosistem, pigmen (molekul penyerap cahaya) dan protein kompleks, memainkan peran penting dalam reaksi terang. Ada dua jenis fotosistem, yaitu fotosistem I, dan fotosistem II.
Kedua fotosistem ini mengandung banyak pigmen yang membantu mengambil energi cahaya, bersama dengan sepasang molekul klorofil khusus yang ditemukan di inti fotosistem. Pasangan fotosistem I khusus ini disebut P700, sedangkan pasangan fotosistem II khusus disebut P680. (Baca: Fungsi Daun pada Tumbuhan)
Langkah-langkah dalam reaksi terang adalah sebagai berikut:
- Penyerapan cahaya pada fotosistem II
Ketika cahaya diserap oleh salah satu dari beberapa pigmen di fotositem II, energi masuk ke dalam dari pigmen ke pigmen sampai mencapai pusat reaksi. Di situ, energi ditransfer ke P680, meningkatkan elektron ke tingkat energi tinggi. Elektron berenergi tinggi dioper ke molekul aseptor dan diganti dengan elektron dari air. Pembelahan air ini melepaskan oksigen yang kita hirup.
- Sintesis ATP
Elektron berenergi tinggi berjalan ke rantai transpor elektron, dan kehilangan energi dalam prosesnya. Sebagian dari pelepasan energi ini mendorong pemompaan ion H+ dari stroma ke dalam interioa tilakoid. membangun gradien (ion H+ dari pembelahan air juga ditambahkan ke gradien). Ketika ion H+ mengalir ke gradiennya dan ke stroma, ion-ion ini melewati enzim ATP synthase, mendorong produksi ATP dalam proses yang bernama chemiosmosis.
- Penyerapan cahaya pada fotosistem I
Ele
ktron tiba pada fotosistem I dan bergabung dengan pasangan khusus klorofil P700 di dalam pusat reaksi.
Ketika energi cahaya diserap oleh pigmen dan dioper ke pusat reaksi, elektron pada P700 mendapat energi tinggi dan ditransfer ke molekul akseptor (penerima).
Elektron pasangan khusus yang hilang ini diganti oleh elektron baru dari fotosistem II. (Baca: Akibat Kekurangan Cahaya pada Tumbuhan)
- Pembentukan NADPH
Elektron berenergi tinggi berjalan ke tahap kedua dari rantai transpor elektron. Pada akhir rantai, elektron dipindahkan ke NADP+ (bersama dengan elektron kedua dari jalur yang sama) untuk membuat NADPH.
Reaksi terang ini pada dasarnya mengkonversi energi cahaya menjadi energi kimia dalam bentuk ATP dan NADPH. ATP dan NADPH ini kemudian digunakan untuk membuat gula di tahap fotosintesis selanjutnya, yaitu siklus Calvin (reaksi gelap). (Baca: Fungsi Dinding Sel pada Tanaman)
Siklus Calvin
Pada tanaman, karbon dioksida memasuki interior daun melalui pori-pori yang disebut stomata dan berdifusi ke dalam stroma di kloroplars (tempat di mana reaksi siklus Calvin terjadi, di mana gula disintesis). Siklus Calvin ini disebut juga dengan reaksi gelap (atau reaksi independen dari cahaya) karena tidak secara langsung di dorong oleh energi cahaya. (Baca: Pernapasan pada Tumbuhan)
Pada siklus Calvin, atom karbon dari karbon dioksida difiksasi dan digunakan untuk membangun gula tiga-karbon. Proses ini didorong oleh ATP dan NADPH dari reaksi terang. Tidak seperti reaksi terang yang berlangsung di membran tilakoid, reaksi siklus Calvin terjadi di stroma (ruang kloroplas dalam).
Siklus Calvin bisa dibagi ke dalam 3 tahap, yaitu fiksasi karbon, reduksi dan regenerasi molekul pemulai.
- Fiksasi Karbon
Molekul karbon dioksida bergabung dengan molekul akseptor lima -karbon, ribulose-1,5-bisphospate (RuBP). Langkah ini membuat senyawa enam-karbon terbagi menjadi 2 molekul senyawa tiga-karbon, 3-asam fosfogliserik (3-PGA). Reaksi ini dikatalisasi oleh enzim RuBP karboksilase/oksigenase. (Baca; Fungsi Stomata)
- Reduksi
Di tahap kedua ini, ATP dan NDAPH digunakan untuk mengkonversi molekul 3-PGA menjadi molekul gula tiga-karbon, glyceraldehyde-3-phosphate (G3P). Tahap ini disebut ‘reduksi’karena NADPH mendonasikan elektronnya kepada molekul tiga-karbon untuk membuat G3P.
- Regenerasi
Sebagian molekul-molekul G3P membuat glukosa, sementara yang lain harus didaur ulang untuk meregenerasi akseptor RuBP. Regenerasi membutuhkan ATP dan melibatkan reaksi yang kompleks.
Agar satu molekul G3P keluar dari siklus (dan masuk ke sintesis glukosa), tiga molekul karbon dioksida harus masuk ke dalam siklus, menyediakan tiga atom karbon baru yang terfiksasi. Ketika 3 molekul karbon dioksida memasuki siklus, 6 molekul G3P dibuat. Satu molekul keluar dari siklus dan digunakan untuk membuat glukosa, sedangkan 5 sisanya harus digunakan untuk daur ulang dan meregenerasi 3 molekul akspetor RuBP.
Fotorespirasi
Jika proses fotosintesis memfiksasi karbon yang ada di udara (dalam bentuk karbon dioksida), maka fotorespirasi malah membuat tanaman kehilangan karbon yang terfiksasi. Fotorespirasi membuang-buang energi dan menurunkan sintesis gula.
RuBP oksigenase-karboksilase (rubisco) adalah enzim penting dalam proses fotosintesis. Pada proses fiksasi karbon, rubisco menggabungkan karbon dioksida menjadi molekul organik selama tahap pertama siklus Calvin. Rubisco begitu penting bagi tanaman karena rubisco ini membentuk 30% atau lebih protein terlarut pada daun tanaman. Tetapi, rubisco memiliki cacat besar, dari pada menggunakan karbon dioksida, malah terkadang mengambil oksigen sebagai substrat.
Faktor yang menentukan substrat apa yang dipilih (karbon dioksida atau oksigen) oleh rubisco adalah konsentrasi relatif oksigen dan karbon dioksida serta suhu.
- Konsentrasi relatif oksigen dan karbon dioksida
Ketika stomata (pori-pori daun) pada tanaman terbuka, karbon diokisda yang terdapat di atmosfer masuk ke dalam tanaman, dan oksigen serta dan uap air keluar (proses ini dinamakan difusi). Tetapi, ketika tanaman menutup stomatanya (contohnya, untuk meminmalisir kehilangan air karena evaporasi), oksigen dari fotosintesis menumpuk dalam daun. Dalam kondisi ini, fotorespirasi meningkat dikarenakan rasio oksigen/karbon dioksida meningkat.
- Suhu
Rubisco mempunyai afinitas yang tinggi terhadap oksigen ketika suhu meningkat. Pada suhu ringan, afinitas rubisco (kecenderungan untuk mengikat) karbon dioksida 80 kali lebih tinggi dari afinitas untuk okisgen. Tetapi pada suhu tinggi, rubisco lebih sering mengambil oksigen.
Kesimpulannya, proses fotosintesis adalah reaksi penting bagi kehidupan dan ekosistem di bumi, dikarenakan organisme aerobik heterotrof sangat tergantung terhadap tumbuhan untuk pasokan makanannya. Secara garis besar, proses fotosintesis dibagi menjadi 2 langkah, yaitu reaksi terang (tergantung terhadap cahaya matahari) dan siklus Calvin (tidak tergantung terhadap cahaya matahari). Tujuan dari fotosintesis ini adalah untuk mengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi kimia yang berguna untuk mayoritas organisme di bumi.