Tahapan Fotosintesis

   Fotosintesis membutuhkan air, karbon dioksida, dan sinar matahari untuk membentuk karbohidrat dan oksigen. Air dan mineral diserap dari dalam tanah oleh rambut akar. Setelah sampai di dalam xilem akar, air, dan mineral mengalir ke xilem batang, xilem daun, dan akhirnya sampai di mesofil daun. Pada tumbuhan dikotil air dan mineral setelah sampai di mesofil daun, akan masuk ke jaringan palisade. Karbon dioksida yang dibutuhkan untuk fotosintesis diperoleh dari udara. Karbon dioksida masuk melalui stomata dan akhirnya masuk ke jaringan mesofil.

   Pada dasarnya, fotosintesis terjadi dalam dua tahapan. Kedua tahap itu berlangsung dalam kloroplas, namun pada dua bagian yang berbeda. Tahap I adalah proses penangkapan energi surya atau proses-proses yang bergantung langsung pada keberadaan cahaya. Seluruh proses pada tahap ini disebut reaksi cahaya. Tahap II adalah proses-proses yang tidak bergantung langsung pada keberadaan cahaya atau tanpa bantuan cahaya matahari. Proses-proses atau reaksi-reaksi pada tahap ini disebut reaksi gelap.

 

   Reaksi-reaksi cahaya berlangsung pada bagian grana kloroplas. Sebagian energi matahari yang diserap akan diubah menjadi energi kimia, yaitu berupa zat kimia berenergi tinggi. Selanjutnya, zat itu akan digunakan untuk proses penyusunan zat gula. Sebagian energi matahari juga digunakan untuk fotolisis air (H₂O) sehingga dihasilkan ion hydrogen (H⁺) dan O₂. Ion hidrogen tersebut akan digabungkan dengan CO₂ membentuk zat gula (CH₂O), sedangkan O₂nya akan dikeluarkan.

   Cahaya menggerakkan sintesis ATP dan NADPH dengan cara memberi energi pada kedua fotosistem yang tertanam dalam membrane tilakoid kloroplas. Kunci transformasi energi ini adalah aliran elektron melalui fotosistem dan komponen-komponen molekular lain yang tertanam dalam membrane tilakoid. Ini disebut aliran elektron linear. Yang terjadi selama reaksi terang fotosintesis. Proses tersebut yaitu:

1.      Foton cahaya menumbuk molekul pigmen dalam kompleks permanen-cahaya, mendorong satu elektronnya ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ketika elektron ini jatuh kembali ke kondisi dasarnya, suatu elektron pada molekul pigmen di dekatnya secara bersamaan terangkat ke kondisi tereksitasi. Proses ini berlanjut, dengan energi yang direlay ke molekul-molekul pigmen lain hingga mencapai pasangan molekul klorofil a P680 pada kompleks pusat-reaksi PS II. Energi mengeksitasi suatu elektron dalam pasangan klorofil ini ke tingkat energi yang lebih tinggi.

2.   Elektron tersebut ditransfer dari P680 yang tereksitasi ke penerima elektron primer. Kita dapat menyebut bentuk P680 yang dihasilkan, yang kehilangan satu elektron sebagai P680.

3.     Suatu enzim mengkatalisis pemecahan satu molekul air menjadi dua elektron, dua ion hidrogen, dan satu atom oksigen. Elektron disuplai satu per satu ke pasangan P680⁺ masing-masing menggantikan satu elektron yang ditransfer ke penerima elektron primer. Atom oksigen berkombinasi dengan atom oksigen yang dihasilkan dari pemecahan molekul air lain, menghasilkan O₂.

4.     Masing-masing elektron yang terfotoeksitasi diteruskan dari penerima elektron primer di PS II dan PS I tersusun dari pembawa elektron bernama plastokuinon. Suatu kompleks sitokrom, dan suatu protein yang disebut plastosianin.

5.   ‘kejatuhan’ eksergonik elektron-elektron ini menuju tingkat energi yang lebih rendah menyediakan energi untuk sintesis ATP. Ketika elektron melewati kompleks sitokrom, pemompaan proton menciptakan gradient proton yang kemudian digunakan dalam kemiosmosis.

6.     Sementara itu, energi cahaya ditransfer melalui pigmen-pigmen kompleks permanen-cahaya menuju kompleks pusat reaksi PS I, mengeksitasi satu elektron pada pasangan molekul klorofil a P700 ditempat itu.

7.    Elektron yang terfotoeksitasi diteruskan dalam serangkaian reaksi redoks dari penerima elektron primer di PS I menuruni rantai transport elektron kedua melalui protein feredoksin. Pada proses ini tidak dihasilkan sebuah ATP.

8. Enzim NADP⁺ reduktase mengkatalisis transfer elektron dari Fd ke NADP⁺. Dua elektron dibutuhkan untuk mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH. Molekul ini berada pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada air, dan elektron-elektronnya lebih mudah tersedia untuk reaksi-reaksi siklus Calvin daripada untuk air.

Gambar 1. Bagaimana aliran elektron linear selama reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH

   Pada bagian ini, terdapat seluruh perangkat untuk reaksi-reaksi penyusunan zat gula. Reaksi tersebut memanfaatkan zat berenergi tinggi yang dihasilkan pada reaksi terang. Reaksi penyusunan ini tidak lagi bergantung langsung pada keberadaan cahaya, walaupun prosesnya berlangsung bersamaan dengan proses-proses reaksi cahaya. Karena itulah, reaksi-reaksi pada tahap ini disebut reaksi gelap. Reaksi tersebut dapat terjadi karena adanya enzim-enzim fotosintesis. Sesuai dengan nama penemunya yaitu Benson dan Calvin, maka daur reaksi penyusunan zat gula ini disebut daur Benson-Calvin.

   Siklus Calvin mirip dengan siklus asam sitrat karena materi awal dihasilkan kembali (diregenerasi) setelah ada molekul yang memasuki dan meninggalkan siklus. Akan tetapi, sementara siklus asam sitrat bersifat katabolik, mengoksidasi glukosa dan menggunakan energi untuk menyintesis ATP, siklus Calvin bersifat anabolik, membangun karbohidrat dari molekul-molekul yang lebih kecil dan mengonsumsi energi. Tahapan dari siklus Calvin yaitu:

1.   Fiksasi karbon

      Pada tahap ini, gula berkarbon 5 yang disebut Ribulosa 1,5 bifosfat (RuBP) mengikat CO2 membentuk senyawa intermediate yang tidak stabil, sehingga terbentuk 3-fosfogliserat maka terbentuk senyawa RuBP dengan atom C sebanyak 6 (C-6). Pembentukan tersebut dikatalisis oleh enzim RuBP karboksilase atau rubisco. Sebagian besar tumbuhan dapat melakukan fiksasi karbon dan menghasilkan senyawa (produk) pertama berkarbon 3, yaitu 3-fosfogliserat. Selanjutnya, 3-asam fosfogliserat ini mendapat tambahan 12 gugus fosfat, dan membentuk 1,3-bifosfogliserat Oleh karena itu, tumbuhan yang dapat memfiksasi CO­2­ disebut tumbuhan C3. Contoh tanamannya adalah padi, gandum, kedelai. Tanaman C4 cara fiksasi karbon dengan membentuk senyawa berkarbon 4 sebagai produk pertamanya. Contoh tanaman C4 yaitu kaktus, lidah buaya dan tanaman berdaun tebal lainnya.

2.   Reduksi

Selanjutnya 2 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P) bereaksi dengan ATP,membentuk asam fosfogliseraldehid yang masih berikatan dengan H2 berasal dari NADPH2. Siklus reaksinya harus berjalan 3 kali, baru terbentuk hasil akhir yaitu 6 senyawa gliseraldehid 3-fosfat (G3P).

3.    3.  Regenerasi

Kemudian masuk ke dalam fase regenerasi, yaitu pembentukan kembali ribulosa difosfat dengan melibatkan fosforilasi dengan melibatkan molekul ATP. Pada fase ini, 10 molekul fosfogliseraldehid berubah menjadi 6 molekul ribulosa fosfat. Jika mendapat tambahan gugus fosfat, maka ribulosa fosfat akan berubah menjadi ribulosa difosfat (RDP), yang kemudian kembali mengikat CO2 dan menjalani siklus reaksi gelap.  Reaksi gelap ini menghasilkan APG (asam fosfogliserat), ALPG (fosfogliseraldehid), RDP (ribulosa difosfat), dan glukosa (C6H12O6). Siklus reaksinya berjalan 3 kali, dan kembali regenerasi lagi. Jadi untuk membentuk 1 molekul glukosa maka dibutuhkan sebanyak 6 kali siklus (siklus Calvin) dengan menangkap sebanyak 6 molekul 6CO2, reaksinya sebagai berikut.

6CO2 + 6H2O ———> C6H12O6 + 6O2

Gambar 2. Siklus Calvin. Diagram ini menelusuri atom-atom karbon (bola abu-abu) melalui siklus Calvin. Ketiga fase siklus tersebut bersesuaian dengan fase-fase yang dibahas dalam teks. Untuk tiga molekul CO₂ yang memasuki siklus, keluaran netto adalah satu molekul gliseraldehida-3-fosfat (G3P), sejenis gula berkarbon-tiga. Reaksi terang menjaga kelangsungan siklus Calvin dengan meregenerasi ATP dan NADPH

   Hasil awal fotosintesis adalah berupa zat gula sederhana yang  disebut glukosa (C₆H₁₂O₆). Selanjutnya, sebagian akan diubah menjadi amilum (zat tepung-pati) yang ditimbun di daun, atau organ-organ penimbun yang lain. 

Ikatlah ilmu dengan menuliskannya. ( Ali bin Abi Thalib )