Yuuukk! Kita cari tau lebih banyak dari yang kita tau
Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari bab ini, siswa diharapkan mampu: 1. Mengetahui dan memahami konsep fotosintesis. 2. Mengetahui tempat terjadinya fotosintesis. 3. Mengetahui dan memahami faktor yang mempengaruhi fotosintesis. 4. Menjelaskan dan membedakan tahapan reaksi terang dan reaksi gelap dalam fotosintesis.
Gambaran Umum
Proses yang Memberi Makan Biosfer Kehidupan di bumi adalah kehidupan bertenaga surya, kloroplas tumbuhan menangkap energi cahaya yang telah menempuh jarak 150 juta kilometer dari matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia yang disimpan dalam gula dan molekul-molekul organik lain. Proses pengubahan ini disebut fotosintesis. Pada awalnya orang menganggap bahwa akar “memakan” tanah seperti yang dikemukakan oleh Aristoteles. Tumbuhan hijau memperoleh zat-zat makanan dari dalam tanah, yang berasal dari hasil perombakan (penguraian) organisme yang telah mati. Penguraian organisme mati yang dilakukan oleh mikrorganisme dan dapat menjadi bahan yang dapat diserap oleh akar tumbuhan hijau. Konsep fotosintesis di mulai pada abad ke-17 ketika Van Helmont menyatakan bahwa pertumbuhan tumbuhan disebabkan adanya air dan bukan tanah. Fotosintesis menghasilkan energi bagi seluruh kehidupan didunia baik secara langsung maupun tidak langsung. Organisme memperoleh senyawa-senyawa organik yang digunakannya untuk mendapat energi dan rangka karbon melalui satu dari dua mode utama: nutrisi autotrofik dan nutrisi heterotrofik. Organisme autotrifik adalah sumber senyawa-senyawa organik untuk semua organisme non-autotrofik, sehingga para ahli biologi menamakan organisme autotrof sebagai produsen biosfer. Hampir semua tumbuhan merupakan autotrof, tumbuhan memerlukan nutrien hanya berupa air, mineral dari tanah serta karbon dioksida dari udara. Secara spesifik, tumbuhan merupakan fotoautotrof, organisme yang mengunakan cahaya sebagai sumber energi untuk mensintesis zat-zat organik. Heterotrof memperoleh materi organik melalui bentuk nutrisi utama kedua hasil organisme autotrof atau heterotrof lain, karena tidak mampu membuat makanannya sendiri, heterotrof hidup dari senyawa-senyawa yang dihasilkan oleh organisme lain. Sehingga, heterotrof adalah konsumen di biosfer. Sumber: Biologi Campbell Jilid 1
Sel yang hidup merupakan “pabrik kimiawi mini”, tempat terjadinya ribuan reaksi dalam ruang berukuran
Tahukah
mikroskopik. Keseluruhan reaksi kimia dalam organisme
kamu??
disebut metabolisme (metabolism, dari bahasa Yunani metabole = berubah). Metabolisme secara keseluruhan mengelola sumber daya materi dan energi bagi sel. Salah satu bagian dari metabolisme adalah anabolisme (Campbell, 2008:153). Anabolisme adalah penyusunan atau sintesis suatu molekul kompleks dari molekul sederhana yang membutuhkan sejumlah energi yang berasal dari cahaya atau dari reaksi kimia. Anabolisme dapat pula diartikan sebagai rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya adalah molekul kecil, dan produk akhirnya adalah molekul besar. Salah satu contoh anabolisme yang sumber energinya berasal dari cahaya disebut fotosintesis (Aryulina, 2007:49).
A. Fotosintesis Kehidupan dibumi adalah kehidupan bertenaga surya. Kloroplas tumbuhan menangkap energi cahaya yang menempuh 150 juta kilometer dari matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia yang di simpan dalam gula dan molekul-molekul organik
lain.
fotosintesis
Proses
pengubahan
(photosynthesis).
Jadi,
ini
disebut
fotosintesis
(foton = cahaya, sintesis = penyusunan) merupakan suatu
reaksi
penyusunan
senyawa-senyawa Gambar 1 Fotosintesis
sederhana menjadi senyawa kompleks organik dengan menggunakan energi cahaya (Campbell, 2008:200). Senyawa yang dibutuhkan berupa zat anorganik, yaitu
karbon
garam-garam
dioksida mineral
(CO2), air (H2O), dan terlarut.
Sementara
itu
senyawa yang hasilkan berupa glukosa, oksigen (O2) dan air (H2O). Energi cahaya dapat berasal dari sinar matahari atau cahaya lain yang memiliki intensitas setingkat dengan sinar matahari. Fotosintesis dilakukan 4 Gambar 2 Alur Fotosintesis
oleh organisme fotoautotrof, misalnya tumbuh-tumbuhan hijau, bakteri berklorofil, dan bakteri ungu. Reaksi fotosintesis secara sederhana dituliskan sebagai berikut: energi cahaya matahari
6 CO2 + 12 H2 O
C6 H12 O6 + 6 O2 + 6 H2 O
klorofil
(Irnaningtyas, 2015:71).
B. Tempat Terjadinya Fotosintesis Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas. Kloroplas merupakan organel plastid yang mengandung pigmen hijau daun (klorofil). Kloroplas terdapat pada semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau, seperti daun, batang, ranting, kelopak bunga, dan buah-buahan yang belum matang. Pada daun, kloroplas banyak terdapat
pada
sel
mesofil
daun
tanaman, yaitu sel-sel jaringan tiang (palisade) dan sel-sel jaringan bunga karang
(spons).
Pada
umumnya,
permukaan atas dari daun tampak lebih hijau dibandingkan permukaan bawahnya karena kloroplas lebih banyak terdapat dijaringan palisade dari pada jaringan spons (Irnaningtyas, 2015:71). Pada setiap sel mesofil, diperkirakan terdapat
30-40
kloroplas.
Kloroplas
merupakan organel sel berbentuk cakram dengan ukuran 2-4 µm x 4-7 µm. Di dalam kloroplas terdapat klorofil pada protein
integral
membran
tilakoid.
Kloroplas tersusun dari bagian-bagian
Gambar 3 Letak dan Struktur Kloroplas
sebagai berikut: Selubung luar merupakan membran rangkap, yaitu membran luar dan membran dalam yang dipisahkan oleh ruang antar membran. 5
Tilakoid merupakan sistem membran yang berbentuk kantung-kantung pipih (cakram), berisi klorofil dan pigmen-pigmen fotosintetik lainnya. Tilakoid merupakan tempat terjadinya reaksi terang fotosintesis. Membran tilakoid menangkap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia. Grana (tunggal: granum) merupakan tumpukan tilakoid. Stroma merupakan cairan koloid diluar tilakoid yang mengandung enzim-enzim dan bahan-bahan kimia seperti gula dan asam-asam organik. Stroma merupakan tempat terjadinya reaksi gelap fotosintesis. Ribosom dan DNA (Irnaningtyas, 2015:71-72). Klorofil merupakan pigmen utama yang terdapat pada tumbuhan. Kolorofil dapat dibedakan menjadi klorofil a dan klorofil b. Klorofil a merupakan pigmen hijau rumput (grass-green pigment) yang mampu menyerap cahaya merah dan biru-keunguan. Klorofil b merupakan pigmen hijau kebiruan yang mampu menyerap cahaya biru dan merah kejinggaan. Klorofil b banyak terdapat pada tumbuhan, ganggang hijau, dan beberapa bakteri fotoautotrof. Perbedaan antara klorofil a dengan klorofil b, yaitu klorofil a, berwarna hijau dan mempunyai gugus R=-CH3, sedangkan klorofil b berwarna kuning hingga jingga dan mempunyai gugus
R = −C = O (Irnaningtyas, 2015:72). | H
Mengapa daun berwarna hijau??
Klorofil a berperan langsung dalam reaksi terang fotosintesis
(reaksi
yang
mengunakan
cahaya),
kedudukannya di dalam fotosistem sebagai pusat reaksi, dimana terjadi reaksi reduksi-oksidasi, klorofil a yang menyerap cahaya akan mentransfer satu elektronnya ke akseptor elektron primer. Selanjutnya, melalui siklus elektron, klorofil yang kehilangan satu elektron tersebut akan menangkap elektron kembali sehingga menjadi normal, klorofil b (Irnaningtyas, 2015:73). Selain klorofil, di dalam kloroplas terdapat pigmen karotenoid, antosianin dan fikobilin. Karotenoid mampu menyerap cahaya biru kehijauan dan biru keunguan. Karotenoid memantulkan cahaya merah, jinga dan kuning. Karotenoid ini banyak ditemukan pada bunga, buah, dan sayuran. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen merah dan biru. Antosianin banyak ditemukan pada bunga. Fikobilin 6
Daun berwarna hijau karena adanya interaksi cahaya dengan kloroplas. Molekul-molekul klorofil pada kloroplas menyerap cahaya violetbiru dan merah (warnawarna yang paling efektif menggerakkan fotosintesis) dan memantulkan atau meneruskan cahaya hijau.
banyak ditemukan pada kelompok ganggang merah dan Cyanobacteria (Aryulina, 2007:51). Tumbuhan dapat melakukan fotosintesis karena mengandung kloroplas pada daunya. Oleh karena itu tumbuhan berperan sebagai organisme produsen makanan (karena dapat menghasilkan makanan dengan bantuan cahaya). Tumbuhan disebut juga organisme autotrof (auto = sendiri, trophic = makanan), yaitu organisme yang dapat membuat makanan sendiri (Aryulina, 2007:51). Jendela Islam
Pabrik Makanan Tercangih di Bumi Klorofil satu-satunya “pabrik” makanan dimuka bumi yang mampu mengubah energi matahari, karbon dioksida dan air menjadi makanan bagi manusia dan hewan. Klorofil jika terkena sinar matahari pada siang hari akan berubah menjadi semacam “reaktor” besar bagi panas/energi matahari dengan cara mengolah kandungan air dalam daun hingga berubah menjadi oksigen yang dilepaskan ke udara serta menghasilkan glukosa berupa fosfogliseraldehid. Dedaunan yang ada disebatang pohon mampu memproduksi satu kilogram makanan dalam satu jam. Produksi makanan itu berubah pada malam hari menjadi produksi gula untuk dikonsumsi oleh tumbuhan itu sendiri atau disimpan menjadi makanan cadangan dibatang atau di buahnya. Dedaunan hijau juga mengeluarkan oksigen ke udara untuk keperluan manusia dan hewan bernapas. Setelah matahari terbenam, dedaunan sebaliknya mengeluar karbon dioksida dan menghirup oksigen dari udara. Apabila kita telusuri dari segi keislaman tentang klorofil di dalam firman Allah surat al-An’am ayat 99,
َضرًا نُ ْخ ِر ُج ِم ْنهُ َحبًّا ُمتَ َرا ِكبًا ِ َوهُ َو الَّ ِذي أَ ْن َز َل ِم َن ال َّس َما ِء َما ًء فَأ َ ْخ َرجْ نَا ِب ِه نَبَاتَ ُك ِّل َش ْي ٍء فَأ َ ْخ َرجْ نَا ِم ْنهُ خ Artinya: “Dialah yang merupakan air hujan dari langit, lalu kami tumbuhkan dengan air itu segala macam tumbuh-tumbuhan, maka kami keluarkan dari tumbuh-tumbuhan itu tanaman yang menghijau, kami keluarkan dari tanaman yang menghijau itu butir yang banyak…” Ayat diatas menunjukan zat hijau daun dalam tumbuhan (klorofil) dapat mengeluarkan biji-bijian, buah, dan hasil-hasil lainnya. Material hijau itu juga mampu mengubah tanah yang tandus menjadi “hidup” kembali, dan karena itulah material yang semua tak hidup dapat merubah menjadi material yang berguna bagi para makhluk hidup lainnya. Sumber: Sains dalam Al-Quran (Dr. Nadiyah Thayyarah)
7
C. Tahapan Reaksi Fotosintesis Proses
fotosintesis
merupakan
rangkaian reaksi yang diawali dengan penyerapan cahaya hingga dihasilkannya senyawa organik. Fotosintesis terdiri atas dua tahapan, yaitu reaksi terang (light reaction,
sebagai
bagian
foto
dari
fotosintesis) dan siklus Calvin (Calvin cycle, sebagai bagian dari sintesis) atau lebih
dikenal
dengan
reaksi
gelap Gambar 4 Tahap Fotosintesis
(Campbell, 2008:203).
Din, apa kalau seluruh warna di gabung jadi satu, nanti jadi warna apa?
Wah, bukan itu yuk, kita simak penjelasanya.
Mungkin jadi abu-abu :-D
Spectrum elektromagnetik. Cahaya putih adalah campuran semua panjang-gelombang
cahaya
tampak.
Prisma dapat memisahkan warna-warna komponen
putih
dengan
cara
membengkokkan cahaya yang memiliki panjang gelombang berbeda-beda pada sudut sudut yang berbeda-beda. (Tetes air di atmosfer dapat bertindak sebagai prisma, sehingga membentuk pelangi). Oh jadi begitu ya
Cahaya tampak mampu menggerakan fotosintesis.
8
Penelitian Ilmiah Panjang-gelombang cahaya mana yang paling efektif menggerakkan fotosintesis? PERCOBAAN Spektrum absorpsi dan spectrum aksi, bersama dengan percobaan klasik Theodor W. Engelmann mengungkapkan panjang-gelombang cahaya mana yang penting untuk fotosintesis. HASIL
(a) Spektrum absorpsi. Ketika kurva menunjukan panjang-gelombang cahaya yang paling bagus diabsorpsi oleh ketiga tipe pigmen kloroplas
(b) Spektrum aksi. Grafik ini menggambarkan laju fotosintesis versus panjang gelombang. Spektrum aksi yang dihasilkan menyerupai spektrum absorpsi untuk klorofil a namun tidak persis benar (lihat bagian (a)). Hal ini sebagian karena absorpsi cahaya oleh pigmen-pigmen aksesori seperti klorofil b dan karotenoid.
(c) Percobaan Engelmann. Pada tahun 1883, Theodor W. Engelmann menyoroti alga berfilamen dengan cahaya yang telah diarahkan menembus prisma, sehingga memaparkan segmen berbedabeda. Engelmann mengunakan bakteri aerobik, yang berkumpul didekat sumber oksigen, untuk menentukan segmen alga mana yang melepaskan paling banyak O 2 dan berfotosintesis paling tinggi. Bakteri berkumpul dalam jumlah yang besar dekat dengan bagian alga yang disinari dengan cahaya violet-biru dan merah. KESIMPULAN Cahaya dalam bagian violet-biru dan merah pada spektrum merupakan cahaya yang paling efektif menggerakan fotosintesis. SUMBER T. W. Engelmann, Bacterium photometricum. Ein Betrag zur verglechenden Physiologien des Licht- un farbensinnes, Archiv. fur Physiologie. 30:95-124 (1883)
9
1. Reaksi Terang Fotosintesis merupakan reaksi redoks yang bergantung pada cahaya dikemukakan pertama kali oleh C. B. Van Niel, seorang ahli mikrobiologi dari Amerika pada tahun 1930-an. Van Neil meneliti peranan cahaya pada proses fotosintesis bakteri belerang ungu. Bakteri ini menggunakan energi cahaya matahari dan CO2 untuk menyusun karbohidratnya
seperti
yang
dilakukan
oleh
tumbuh-tumbuhan.
Fotosintesis pada bakteri ini tidak menggunakan air (H2O), melainkan mengunakan H2S. Fotosintesis tersebut tidak membebaskan oksigen (O2), tetapi membebaskan unsur belerang (S) berupa titik-titik sulfur berwarna kuning (Irnaningtyas, 2015:74). Reaksi fotosintesis pada bakteri belerang ungu adalah sebagai berikut. CO2 + 2H2 S → CH2 O karbohidrat + H2 O+2S (sulfur) Van Neil berkesimpulan bahwa semua organisme fotosintetik memerlukan hidrogen (H) untuk membuat gula, namun hidrogen dapat diperoleh dari beberapa sumber lainnya, seperti H2S dan H2O (Irnaningtyas, 2015:74).
Gambar 5 Aliran Elektron Dalam Reaksi Terang Bagaimana aliran elektron linear selama reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH. Anak panah kuning menelusuri aliran elektron yang digerakkan cahaya dari air ke NADPH.
Reaksi terang merupakan reaksi yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosfat hydrogen). Reaksi terang terjadi di grana (tumpukan tilakoid) dalam kloroplas. Pada reaksi terang, diperlukan 10 8
H2O, ADP, dan cahaya matahari. Hasil akhir reaksi terang, yaitu NADPH, ATP, dan dibebaskan O2. O2 dibebaskan berasal dari pemecahan air (fotolisis) yang telah dibuktikan dengan mengunakan isotop
18
O oleh S. Ruben, M. D. Kamen, dan Robin Hill sehingga
reaksi terang disebut juga reaksi Hill. Dalam reaksi terang, terdapat dua rute aliran elektron, yaitu siklik dan nonsiklik (Irnaningtyas, 2015:74). a.
Aliran elektron nonsiklik Aliran elektron nonsiklik memiliki rantai transport elektron yang lebih
panjang dan menggunakan fotosistem I dan fotosistem II. Fotosistem merupakan unit yang mampu menangkap energi cahaya matahari. Fotosistem terdiri atas kompleks antena, protein, dan molekul organik lainya yang terdapat didalam membran tilakoid. Kompleks antena berperan sebagai pengumpul energi dan tersusun dari kumpulan molekul pigmen, yaitu klorofil a, klorofil b, dan molekul karotenoid. Klorofil a dalam fotosistem I disebut P700 karena sensitif dan dapat menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm. Klorofil a dalam fotosistem II disebut P680 karena sensitive dan dapat menyerap energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm. Kedua fotosistem tersebut bekerja sama dalam reaksi terang dengan menggunakan cahaya untuk menghasilkan ATP dan NADH.pada reaksi terang fotosistem II terjadi lebih dahulu dari fotosistem I. Dinamakan fotosistem I karena ditemukan terlebih dahulu dari pada fotosistem II (Aryulina, 2007:52-53).
Gambar 6 Skema Aliran Elektron Non siklik
Sumber : http://4.bp.blogspot.com/
11
Mekanisme aliran elektron nonsiklik adalah sebagai berikut: Klorofil a (P680) pada fotosistem II menyerap cahaya. Elektron berenergi tinggi dari klorofil a terlepas (tereksitasi) dan ditangkap oleh akseptor elektron primer fotosistem II. Klorofil a (P680) menjadi klorofil a+ karena kehilangan elektronnya (teroksidasi). Air (H2O) yang terkena cahaya matahari melepaskan elektronya (e -), terurai menjadi 2 ion hidrogen (H+) dan 1 atom oksigen. Satu atom okseigen akan bergabung dengan atom oksigen akan bergabung dengan atom oksigen lainya membentuk oksigen (O2). Elektron yang dilepas air akan ditangkap oleh klorofil a+ sehingga klorofil a menjadi normal kembali. Elektron yang ditangkap akseptor primer fotosistem II dialirkan ke plastokinon (Pq), kemudian ke kompleks sitokrom, dan ke plastosianin (Pc). Plastokinon, kompleks sitokrom, dan plastosianin merupakan rantai transpor elektron pada kloroplas. Bersamaan dengan peristiwa tersebut, cahaya juga diserap oleh klorofil a (P700) pada fotosistem I sehingga klorofil a (P700) menjadi klorofil a+ (teroksidasi). Elektron dari plastosianin ditangkap oleh klorofil a+ fotosistem I sehingga klorofil a fotosistem I tersebut menjadi normal kembali. Setiap perpindahan elektron menghasilkan energi (aksergonik), energi tersebut digunakan oleh membran tilakoid untuk menyusun ATP dari ADP. Reaksi penyusunan ATP tersebut dinamakan fotofosforilasi karena dikendalikan oleh cahaya. Fotofosforilasi pada aliran elektron nonsiklik disebut fotofosforilasi nonsiklik. Elektron yang dilepaskan oleh klorofil a fotosistem I pada saat terkena cahaya, diterima oleh akseptor elektron primer fotosistem I. Elektron dari akseptor primer fotosistem I dialirkan ke rantai transpor elektron yang terdiri
atas
feredoksin
(Fd).
Feredoksin
merupakan protein yang mengandung besi (Fe). Elektron dari feredoksin dialirkan oleh enzim NADP+ reduktase ke NADP+. 12
Gambar 7 Analogi Mekanis Untuk Reaksi Terang
NADP+ menangkap elektron dari ion H+ menjadi NADPH. NADPH merupakan sumber energi untuk menyintesis gula. (Irnaningtyas, 2015:74-75) b. Aliran elektron siklik Aliran elektron siklik hanya terjadi pada fotosistem I. Aliran elektron ini memiliki rantai transpor elektron lebih pendek dan bertujuan untuk menambah pasokan ATP, tetapi tidak memproduksi NADPH. Tambahan pasokan ATP ini sangat membantu pada tahap reaksi fotosintesis selanjutnya, yaitu siklus Calvin (reaksi gelap). Siklus Calvin lebih banyak membutuhkan ATP dari pada NADPH, sedangkan aliran elektron nonsiklik menghasilkan ATP dan NADPH dengan jumlah yang sama. Jadi, aliran elektron siklik terjadi jika kloroplas kekurangan ATP untuk siklus Calvin (Irnaningtyas, 2015:76).
Gambar 8 Skema Aliran Elektron Siklik
Mekanisme aliran elektron siklik adalah sebagai berikut: Klorofil a (P700) pada fotosistem I menyerap cahaya dan melepaskan elektronnya sehingga menjadi klorofil a+ (teroksidasi). Elektron berenergi tinggi dari klorofil a dilepaskan, kemudian ditangkap oleh akseptor primer fotosistem I.
Konsep Bio Pada
reaksi
terang,
energi
Elektron pada akseptor primer fotosistem I dialirkan ke
cahaya
feredoksin (Fd).
elektron dari fotosintesis di
Elektron dari feredoksin (Fd) dikembalikan ke klorofil a+
dalam
fotosistem I melalui kompleks sitokrom, kemudian ke
Aliran electron melalui sistem
plastosianin (pC) sehingga klorofil a menjadi normal kembali
memacu
membran
pelepasan
tilakoid.
transport menghasikan ATP dan NADPH.
(Irnaningtyas, 2015:76). 13
Disimpulkan bahwa pada reaksi terang terjadi fotolisis, foto untuk pembentukan ATP, dan pembentukan NADPH (khusus pada aliran electron nonsiklik). Fotolisis, yaitu reaksi pemecahan air oleh cahaya yang menghasilkan 2 ion hidrogen dan 1 atom oksigen. Satu atom oksigen akan bergabung dengan atom oksigen lainnya membentuk O 2 (oksigen). Reaksi fotolisis dapat dituliskan sebagai berikut.
Fotofosforilasi,
yaitu
pembentukan
ATP
dari
ADP
yang
dikendalikan oleh cahaya. Pembentukan ATP memerlukan energi yang berasal dari perpindahan elektron dari suatu akseptor elektron ke akseptor elektron lainnya. Reaksi fotofosforilasi dapat dituliskan sebagai berikut. ADP + Pi → ATP Pembentukan NADPH hanya terjadi pada aliran electron nonsiklik. Reaksi pembentukan NADPH dapat dituliskan sebagai berikut. NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH + H+ (Irnaningtyas, 2015:76-77) 2. Siklus Calvin (Reaksi Gelap) Siklus Calvin (reaksi gelap) dikemukakan pertama kali pada tahun 1961 oleh Dr. Melvin Calvin dan Andrew Benson sehingga disebut siklus Calvin. Reaksi tersebut dinamakan reaksi gelap karena tidak memerlukan cahaya matahari. Reaksi gelap terjadi di stroma. Zat yang diperlukan dalam reaksi gelap yaitu CO2, ATP, dan NADPH. Hasil akhir reaksi gelap adalah gliseraldehida 3-fosfat (PGAL/gula berkarbon 3), ADP, dan NADP+ (Irnaningtyas, 2015:77). Mekanisme dari siklus Calvin, terdiri atas 3 fase sebagai berikut:
Konsep Bio Reaksi Fotosintesis: Terdiri atas 2 tahap (reaksi terang dan reaksi gelap)
Fiksasi karbon, terjadi pengikatan CO2 oleh molekul
Reaksi terang
organik bisfosfat atau RuBP (gula berkarbon 5)
Memerlukan H2O, ADP, dan cahaya
dengan katalisator enzim rubisko (RuBP karboksilase)
matahari;
yang banyak ditemukan dalam kloroplas. Fiksasi CO 2
serta
menghasilkan
NADPH, ATP, dan O2. Reaksi gelap
oleh RuBP menghasilkan zat intermediet berkarbon 6
14
Memerlukan
CO2,
ATP,
dan
yang segera terurai menjadi molekul 3-fosfogliserat
NADPH;
(PGA).
gliseraldehida 3-fosfat, ADP, dan NADP+.
serta
menghasilkan
Reduksi, molekul 3-fosfogliserat menangkap gugus fosfat dari ATP membentuk 1,3-bisfosfogliserat. NADPH yang berasal dari reaksi terang melepaskan elektronnya untuk mereduksi gugus 1,3bisfosfogliserat menjadi gliseraldehida 3-fosfat (G3P). Satu molekul dari setiap 6 molekul gliseraldehida 3-fosfat akan membentuk 1 molekul gula berkarbon 3 sehingga untuk membentuk 1 molekul gula berkarbon 6 akan membutuhkan 2 molekul gula berkarbon 3 (memerlukan dua kali siklus Calvin). Regenerasi RuBP, sisa 5 molekul gliseraldehida 3-fosfat akan mengikat fosfat dari penguraian ATP untuk menyusun kembali RuBP. RuBP berfungsi sebagai akseptor CO2. (Irnaningtyas, 2015:77).
Gambar 9 Skema siklus Calvin (Reaksi Gelap)
Gula berkarbon 3 yang dihasilkan dalam siklus Calvin digunakan oleh tumbuhan untuk menyintesis semua molekul organik sel tumbuhtumbuhan. Sekitar 50% dari senyawa organik yang dihasilkan dalam fotosintesis tersebut dikonsumsi sebagai bahan bakar untuk respirasi sel didalam mitokondria dan sebagian lagi akan hilang saat terjadi fotorespirasi. Fotorespirasi (respirasi cahaya) adalah respirasi yang terjadi bersamaan dengan fotosintesis yang terjadi pada siang hari (terdapat cahaya) (Campbell, 2008:215). 15
Ketika terjadi fotorespirasi, enzim rubisko dapat menerima O2 sebagai pengganti CO2 sehingga rubisko memberikan O2 dalam siklus Calvin, bukan CO2, dalam hal ini dihasilkan produk berupa senyawa berkarbon 2 yang akan diuraikan menjadi CO2 di dalam mitokondria dan peroksisom. Fotorespirasi tidak menghasilkan ATP maupun makanan sehingga menurunkan kualitas produk fotosintesis. Fotorespirasi akan meningkat jika keadaan lingkungan panas terik dan kering yang menyebabkan stomata tertutup (Campbell, 2008:215-216). Pada tumbuhan jenis C4 (tumbuhan yang produk fotosintesisnya berupa gula berkarbon 4; misalnya tebu, jagung, dan beberapa jenis rumput) dan CAM (crassulacean acid metabolism, tumbuhan sekulen seperti kaktus), sehingga senyawa organik karbohidrat yang dihasilkan fotosintesis akan dikirim keluar daun melalui berkas pembuluh floem. Di dalam sel nonfotosintesis, karbohidrat digunakan untuk bahan respirasi sel serta sintesis protein, lemak, polisakarida, selulosa, enzim, hormon, dan produk lainnya. Jika kondisi memungkinkan, tumbuhan akan membuat senyawa organik melebihi jumlah yang dibutuhkan. Kelebihan produk fotosintesis akan diubah menjadi pati yang dapat disimpan diakar, batang, biji, atau buah. Contohnya pada tanaman tebu, kelebihan produk fotosintesis disimpan di batang (Campbell, 2008:216:217). Latihan 1 Jawablah pertanyan di bawah ini dengan memilih jawaban dari kolom abjad yang tersedia!! 1. Tempat terjadinya reaksi terang. 2. Tempat terjadinya reaksi gelap. 3. Jalur transpor electron pada fotosistem I. 4. Organ yang dimiliki oleh organisme fotoautotrof. 5. Sel yang mengandung kloroplas. 6. Reaksi pecahnya molekul air menjadi oksigen. 7. Penyusunan molekul dari molekul sederhana menjadi kompleks. 8. Hasil reaksi gelap. 9. Pigmen yang menyerap cahaya biru kehijauan. 10. Pigmen yang banyak ditemukan dibunga. 11. Pusat reaksi bagi fotosistem. 12. Fotosintesis merubah energi cahaya menjadi..
16
D. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Fotosintesis Faktor lingkungan yang memengaruhi fotosintesis, yaitu sebagai berikut: 1. Intensitas Cahaya Intensitas cahaya yang tinggi akan meningkatkan laju fotosintesis, tetapi intensitas cahaya yang terlalu tinggi akan merusak klorofil dan menyebabkan sel daun dehidrasi (kehilangan cairan). Pada iklim yang panas dan terik, daun akan cepat menguning dan mudah rontok. 2. Panjang Gelombang Cahaya Cahaya matahari terdiri atas beberapa spectrum cahaya yang memiliki panjang gelombang berbeda-beda, baik cahaya tampak maupun cahaya tidak tampak. Sementara itu, merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan nilai ungu adalah cahaya tampak. Cahaya yang berguna untuk fotosintesis adalah cahaya tampak. Cahaya tampak memiliki panjang gelombang terpendek adalah cahaya ungu, sedangkan yang terpanjang adalah cahaya merah. Proses fotosintesis akan berlangsung lebih cepat pada cahaya tampak biru-ungu (λ = ±450 nm) dan cahaya merah (λ = ±680 nm).
17
3. Konsentrasi CO2 Fotosintesis memerlukan jumlah CO2 yang cukup. Peningkatan kadar CO2 untuk fotosintesis tumbuhan tidak berarti, jika pada lingkungannya sudah cukup mengandung CO2. Kadar CO2 yang teralu tinggi akan mengganggu respirasi tumbuhan. 4. Suhu Fotosintesis akan berlangsung dengan baik pada suhu optimum, yaitu 25oC – 39oC. Di daerah yang memiliki empat musim, pada musim dingin air membeku menjadi salju sehingga akar tumbuhan tidak mendapatkan air dan proses fotosintesis terhenti. Daun akan berubah menjadi merah, kemudian coklat dan akhirnya gugur. Sementara itu, suhu lingkungan yang terlalu panas menyebabkan enzim tidak dapat bekerja sehingga akan menghambat proses fotosintesis. 5. Ion Anorganik Beberapa
ion
anorganik
diperlukan
oleh
tumbuhan
dalam
pembentukan klorofil, antara lain N, Cl, Fe, B, Mn, Zn, S, Cu, Mo, dan Mg. Kekurangan unsur tersebut dapat menyebabkan klorosis pada daun. 6. Zat Inhibitor Zat inhibitor adalah penghambat fotosintesis, antara lain SO 2, hujan asam, dan zat pembasmi tumbuhan liar (herbisida). (Irnaningtyas, 2015:79-80)
E. Pembuktian Fotosintesis Fotosintesis berperan penting untuk kelangsungan kehidupan organisme di muka bumi. Hampir seluruh organisme heterotrof, secara langsung maupun tidak langsung, sangat bergantung pada zat makanan produk fotosintesis. Hal inilah mendorong banyak alhi mengadakan penelitian tentang fotosintesis, antara lain Jan Ingenhousz, T. W. Engelmann, dan Julius von Sachs (Irnaningtyas, 2015:80). 1. Percobaan oleh Jan Ingenhousz membuktikan bahwa fotosintesis menghasilkan oksigen (O2). Organisme yang digunakan adalah tanaman air Hydrilla sp (Irnaningtyas, 2015:80).
18
Konsep Bio Faktor yang mempengaruhi fotosintesis: intensitas cahaya, panjang gelombang, konsentrasi CO2, suhu, ion anorganik, dan zat inhibitor.
2. Percobaan oleh T. W. Engelmann membuktikan bahwa fotosintesis menghasilkan oksigen dan terjadi pada sel yang mengandung klorofil. Organisme yang digunakan, yaitu Spirogyra sp. dan bakteri aerob (Irnaningtyas, 2015:80). 3. Percobaan oleh Julius von Sachs membuktikan bahwa fotosintesis menghasilkan karbohidrat berupa amilum (Irnaningtyas, 2015:80).
Kegiatan 1
Judul kegiatan: Percobaan Ingenhousz Tujuan
: - Mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi fotosintesis - Mengetahui zat yang dihasilkan dalam fotoses fotosintesis.
Alat dan Bahan 1.
Tanaman air Hydrilla sp.
2.
Air jernih
3.
Larutan NaHCO3
4.
Gelas beker atau gelas kimia
5.
Corong kaca
6.
Tabung reaksi
7.
Stopwatch
Cara kerja 1.
Siapkan air jernih dalam 2 gelas beker dan tambahkan beberapa tetes ½ % NaHCO3.
2.
Potonglah batang tanaman Hydrilla sp. kira-kira 10 cm.
3.
Masukkan tanaman tersebut secara terbalik (dengan bagian pangkal menghadap ke pipa corong). Pipa corong menghadap ke atas dan diatasnya ditutup tabung reaksi yang teah diisi air.
4.
Simpanlah tanaman dalam gelas beker pada 3 tempat yang berbeda, yaitu (a) di dalam ruangan (lemari), (b) dibawah pohon rindang, dan (c) di lapangan terbuka dengan intensitas cahaya matahari yang cukup tinggi.
5.
Amatilah oksigen (O2) yang terbentuk melalui gelembung-gelembung gas yang dihasilkan. Hitung dan catatlah banyaknya gelembung yang dihasilkan pada masing-masing tanaman selama 5 menit.
6. Buatlah grafik yang menunjukan hubungan antara cahaya dan laju fotosintesis. Pembahasan 1.
Pada perlakuan manakah tidak dihasilkan gelembung, paling sedikit gelembungnya, atau paling banyak gelembung?
2.
Bagaimanakah kesimpulan dari grafik yang kalian peroleh?
3.
Apakah manfaat cahaya bagi tanaman Hydrilla sp tersebut?
19
Rangkuman 1.
Fotosintesis adalah proses pengubahan CO2 dan air menjadi bahan kimia organik menggunakan energi dari cahaya disertai pembebasan O 2.
2.
Reaksi kimia yang kompleks dalam fotosintesis dengan persamaan kimia ini: 6 CO2 + 12 H2O + energi cahaya → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O (karbon dioksida)
3.
(air)
(glukosa) (oksigen) (air)
Hasil dari proses fotosintesis digunakan oleh makhluk hidup lainnya sebagai sumber oksigen untuk pernapasan dan glukosa sebagai sebagai sumber energi.
4.
Pigmen yang berperan penting dalam proses fotosintesis adalah klorofil yang terdapat di dalam kloroplas.
5.
Laju fotosintesis dipengaruhi oleh faktor intensitas cahaya, konsentrasi karbon dioksida, suhu, kadar oksigen, air, dan kandungan klorofil.
6.
Klorofil merupakan pigmen utama yang terdapat pada tumbuhan.
7.
Fotosintesis terdiri atas dua tahapan, yaitu reaksi terang (light reaction, sebagai bagian foto dari fotosintesis) dan siklus Calvin (Calvin cycle, sebagai bagian dari sintesis) atau lebih dikenal dengan reaksi gelap.
8.
Reaksi terang merupakan reaksi yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosfat hydrogen). Reaksi terang terjadi di grana (tumpukan tilakoid) dalam kloroplas. Pada reaksi terang, diperlukan H2O, ADP, dan cahaya matahari. Hasil akhir reaksi terang, yaitu NADPH, ATP, dan dibebaskan O2.
9.
Reaksi terang, terdapat dua rute aliran elektron, yaitu siklik dan nonsiklik.
10. Pada reaksi terang terjadi fotolisis, foto untuk pembentukan ATP, dan pembentukan NADPH (khusus pada aliran elektron nonsiklik). 11. Fotolisis, yaitu reaksi pemecahan air oleh cahaya yang menghasilkan 2 ion hidrogen dan 1 atom oksigen. 12. Dinamakan reaksi gelap karena tidak memerlukan cahaya matahari. Reaksi gelap disebut juga dengan siklus Calvin dan terjadi di stroma. Zat yang diperlukan dalam reaksi gelap yaitu CO2, ATP, dan NADPH. Hasil akhir reaksi gelap adalah gliseraldehida 3-fosfat (PGAL/gula berkarbon 3), ADP, dan NADP+. 20
13. Faktor lingkungan yang mempengaruhi fotosintesis, yaitu intensitas cahaya, panjang gelombang cahaya, konsentrasi CO2, suhu, ion anorganik dan zat inhibitor.
Skema Umum Fotosintesis
Reaksi terang Dilakukan oleh molekulmolekul dalam membran. Mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimia dalam ATP dan NADPH. Memecah H2O dan melepaskan O2 ke atmosfer.
Reaksi siklus Calvin Berlangsung di stoma. Menggunakan ATP dan NADPH untuk mengubah CO2 menjadi gula G3P. Mengembalikan ADP, fosfat anorganik, dan NADP+ ke reaksi terang.
21
Uji Kompetensi Anabolisme (Fotosintesis) A. Jawablah Pertanyaan Berikut Berdasarkan Analisismu!! 1.
Mengapa tumbuhan disebut dengan organisme fotoautotrof? Jelaskan!
2.
Bagaimanakah molekul-molekul reaktan pada fotosintesis mencapai kloroplas pada daun?
3.
Warna cahaya apa yang paling tidak efektif untuk menggerakan fotosintesis? Jelaskan?
4.
Mensintesis suatu molekul glukosa, siklus Calvin menggunakan molekul CO2
molekul ATP dan
molekul NADPH. 5.
Bagaimana jika? Siklus Calvin jelas-jelas membutuhkan produk-produk reaksi terang ATP dan NADPH. Anggaplah teman sekelasmu berpendapat bahwa kebalikannya tidak benar bahwa reaksi terang tidak bergantung pada siklus Calvin dan dengan cahaya yang terus-menerus, bisa terus menghasilkan ATP dan NADPH. Apakah anda setuju atau tidak? Jelaskan!
B. Pilihlah salah satu jawaban yang tepat!
1.
Berikut ini manakah reaksi kimia fotosintesis pada bakteri belerang ungu dalam proses reaksi terang! A. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O B. CO2 + 2 H2S → CH2O + H2O + 2S C. C6H12O6 + 6 O2 → CO2 + 6 H2O D. CO2 + 2 H2S → CH2O + H2O + 2S E. NADP+ + 2H+ + 2e− → NADPH + H+
2.
3.
Yang tidak diperlukan untuk proses fotosintesis adalah .... A. Air
C. Karbondioksida
B. Oksigen
D. Sinar matahari
Pada proses fotosintesis, reaksi pengikatan CO2 berlangsung didalam . . . . . A. Klorofil
22
B. Kloroplas
C. Sitoplasma 4.
D. Stomata
Selain klorofil, di dalam kloroplas terdapat pigmen karotenoid, antosianin dan fikobilin. Dibawah ini pernyataan yang benar mengenai pigmen yang dapat diserap oleh karotenoid, antosianin dan fikobilin adalah ... A. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen merah dan biru karotenoid mampu menyerap cahaya biru kehijauan dan biru keunguan B. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen biru dan kuning karotenoid mampu menyerap cahaya merah kehijauan dan biru keunguan C. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen hijau dan biru, karotenoid mampu menyerap cahaya biru dan keunguan biru kehijauan D. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen hijau dan biru, karotenoid mampu menyerap cahaya biru dan keunguan biru kehijauan E. Antosianin dan fikobilin merupakan pigmen merah dan biru, karotenoid mampu menyerap cahaya biru dan keunguan biru kehijauan
5.
ATP merupakan senyawa berenergi tinggi yang dapat dihasilkan melalui proses........ A. Fotosintesis
D.
Pembusukan
B. Respirasi
E. Sintesis protein
C. Reproduksi
6.
Berikut ini peristiwa yang berkaitan dengan proses fotosintesis adalah..... 1.
Amilum(polisakarida)
2.
Adenosin difosfat (ADP)
3.
Ribulosa difosfat (RDP)
4.
Asam fosfogliserat (APG)
5.
Fosfogliseraldehida (PGAL)
Sebelum proses pembentukan, pada proses peristiwa fotosintesis selalu didahului dengan pembentukan ..... A. 1
D. 4
B. 2
E. 5
C. 3 23
7.
Reaksi terang terjadi di grana (tumpukan tilakoid) dalam kloroplas. Pada reaksi terang, diperlukan H2O, ADP, dan cahaya matahari. Hasil akhir reaksi terang, yaitu ...... A. NADPH, ATP, dan dibebaskan H2O B. NADPH, ADP, dan dibebaskan O2 C. NADPH, ATP, dan pemecahan CO2 D. NADPH, ADP, dan dibebaskan H2O E. NADPH, ATP, dan dibebaskan O2
8.
Reaksi terang pada fotosintesis menghasilkan ... A. NADPH, ATP, dan glukosa
D. Karbosilaksi
B. NADPH, ATP, dan O2
E. Reduksi CO2
C. Fotosintesis molekul air 9.
Oksigen yang dikeluarkan oleh tumbuhan pada fotosintesis berasal dari.... A. Proses penyusunan CO2
D. Karboksilasi
B. Pembentukan amilum
E. Reduksi CO2
C. Fotolisis molekul air 10. Manakah yang merupakan peristiwa awal dari proses fotosintesis..... A. Terurainya CO2 B. Terurainya klorofil C. Ionisasi CO2 D. Terurainya molekul H2O
24
Daftar Pustaka Aryulina, Diah. 2007. Biologi SMA dan MA untuk Kelas XII. Jakarta: Esis Campbell, N.A., dan J.B. Reece. 2008. Biologi Edisi ke-VIII Jilid 1. Jakarta: Erlangga Irnaningtyas. 2015. Biologi untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Erlangga Thayyarah, Nadiyah. 2013. Sains dalam Al-Qur’an. Jakarta: Zaman
25
