Tinjauan Pustaka Praktikum Biologi Umum "JARINGAN"

Fotosintesis adalah proses pembentukan molekul-molekul makanan yang kompleks dan berenergi tinggi dari komponen-komponen yang lebih sederhana oleh tumbuhan hijau dan organisme autotrofik lainnya dengan keberadaan energi cahaya (Fried, 2005).
Tumbuhan merupakan fotoautotrof, yaitu organisme yang menggunakan cahaya sebagai sumber energi untuk mensintesis lipid, karbohidrat, protein, dan bahan organic lainnya (Campbell,2000).
Fotosintesis adalah sebagai dasar dimana tumbuhan hijau teleh membuat kelanjutan hidupnya (Marsland, 1964).
Saat cahaya dengan panjang gelombang tertentu diserap oleh kloroplas yang membutuhkan gas karbondioksida hingga menghasilkan oksigen dan karbohidrat disebut fotosintesis (Ritchie, 1948).
Tumbuhan hijau membuat makanannya sendiri dengan mengambil karbondioksida, air, dan mineral. Dari bahan-bahan ini, tumbuhan hijau membuat makanannya yang akan mereka gunakan untuk pertumbuhannya (Ritchie, 1948).
Sinar matahari dapa menyebabkan karbondioksida dan air akan berkombinasi untuk membentuk karbohidrat. Proses kombinasi yang luar biasa ini disebut fotosintesis, yakni proses kimiawi kompleks dengan peran dari kloroplas (Weisz, 1959).
Fotosintesis adalah proses yng dilakukan oleh organisme hidup untuk mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dari molekul organik. Fotosintesis menyediakan energi untuk segala kehidupan di dunia. Formula proses fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut:
CO2 + H2O + energi cahaya (CH2O) + O2 + energi kimia
(Rosenberg, 1965)
Pengubahan CO2 menjadi komponen organik adalah transformsi yang mebutuhkan energi yang didapat dari cahaya matahari. Dapat disimpulkan bahwa fotosintesis adalah proses dari penyerapan cahaya matahari oleh tumbuhan, pen-tranformasi-an dan penyimpanan di dalam bentuk komponen karbon berenergi tinggi. Komponen karbon tersebut kemudian berguna sebagai sumber energi bagi tumbuhan itu sendiri dan berguna bagi organisme lainyang menggunakan energi cahaya untuk mensintesis subtansinya (Banner, 1952).
Fotosintesis adalah reaksi endergonik utama dalam kehidupan- sebuah proses dimana kabomdioksida dan airberinteraksi ubtk membentuk karbohidrat berenergi tinggi dan pada akhirnya membentuk lipid dan protein. Reaksi fotosintetik pada dasarnya merupakan pembalikan dari respirasi seluler yang merupakan reaksi eksergonik (Fried, 2005).

2.1 Reaksi terang / fotolisis /reaksi Hill
Reaksi terang mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimiawi berupa ATP dan NADPH (Campbell, 2000).
Generasi dari sebuah akseptor yang tereduksi dan komponen berenergi tinggi, NADPH dan ATP membutuhkan cahaya atau bereaksi (Rosenberg, 1965).
Dalam reaksi terang, sebuah foton dengan panjang gelombang yang sesuai diserap oleh berbagai molekul pigmen (lorofi a dan b, karotenoid) dari fotosistem I dan energinya ditransfer kesebuah molekul klorofil a pada situs reaktif (Fried, 2005).
Sebagian pigmen (termasuk klorofil), selain memancarkan panas juga akan memancarkan cahaya setelah menyerap foton. Elektron melompat ke keadaan energi yang lebih tinggi, dan ketika elektron itu kembali ke kedaan dasarnya,foton dilepas. Pasca- pijar ini disebut fluororesensi (Campbell, 2000).
ATP dibentuk seiring dengan penyerapan cahaya, reaksi tersebut diberi nama fotofosforilasi. Elektron klorofil yang terenergisasi pada akhirnya menyelesaikan satu sirkuit, sehingga jalur itu dikenal dengan fotofosforilasi siklik (Fried, 2005).
Fungsi aliran elektron ini menghasilkan ATP dan NADPH dalam jumlah yang hampir sama (Marsland, 1964).
Elektron yang tereksitasi ketika molekul klorofil fotosistem II menyerap cahaya, akan mengisi kekosongan elektron di fotosistem I tetepi akan meninggalkan kekosongan di fotosistem II, dan kekosongan itu diisi melelui reaksi pemecahan air yang akan melepas oksigen (Campbell, 2000).
ATP yang dihasilkan oleh reaksi terang akan menyediakan energi kimia untuk sintesis gula di dlam siklus Calvin, tahap utama kedua dari fotosintesis (Galston, 1964).
Rangkuman dari reaksi terang ini, aliran elektron nonsiklik mendorong elektron dari air (potensial rendah) ke NADPH dimana elektron disimpan pada keadaan energi potensial tinggi. Arus elektron yang dihasilkan cahaya juga menghasilkan ATP. Dengan demikian, membran tilakoid mengubah energi cahaya menjadi energi kimiawi yang disimpan didalam NADPH dan ATP dengan oksigen merupakan produksi samping (Campbell,2000).
Secara singkat, reaksi Hill dapat ditulis seperti ini:
2H2O + cahaya matahari 2NADP + H2 + O2
Menunjukkan bahwa pada proses fotosintesis membutuhkan cahaya, kloroplas dan air. Pelepasan oksigen membuktikan bahwa air telah dipecah menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2) serta energi cahaya dan klorofil berperan dan berasosiasi secara spesifik dalam proses pemecahan tersebut (Weisz, 1959).

2.2 Reaksi Gelap / Fiksasi CO2 / Reaksi Blackman / Siklus Calvin-Benson
Reaksi gelap adalah jalur dimana terjadi reduksi CO2 menjadi gula. Komponen ini ditemukan pada stroma kloroplas. Reaksi gelap sebenarnya tidak harus terjadi dalam kondisi gelap; hanya saja reaksi gelap tidak bergantung pada cahaya (Fried, 2005).
Untuk memberikan energi pada komponen reaksi kimia dalam fotosintesis dapat diproses tanpa menggunakan cahaya. Yang disebut dengan eaksi gelap, akan tetapi juga dapat memproses dalam kondisi keduanya,menggunakan cahaya dan tidak menggunakan cahaya (Rosenberg, 1965).
Siklus Calvin merupakan jalur metabolisme yang serupa dengan siklus Krebs dalam arti bahwa materi awal diregenerasi setelah molekul memasuki dan meninggalkan siklus ini. Karbon memauki siklus Calvin dalam bentuk CO2 dan keluar dalam bentuk gula (Campbell, 2000).
Siklus ini menggunakan ATP sebagai sumber energi dan mengkonsumsi NADPH sebagai tenega pereduksi untuk penambahan electron berenergi tinggi untuk membuat gula (Marsland, 1964).
Reaksi awal pada reaksi gelap yakni adanya fiksasi CO2 dari udara bebas dengan senyawa 5-karbon yang disebut dengan ribulosa bifosfat (RuBP) yang menghasilkan senyawa 6-karbon yang labil dan peca menjadi dua sehingga terbentuk molekul senyawa 3-karbon asam fosfogliserat (PGA) (Fried, 2005).
Siklus Calvin terbagi menjadi 3 fase. Yakni fase fiksasi karbon, fase reduksi, dan fase regenerasi akseptor CO2 (RuBP) (Weisz, 1959).
Proses pemutan setiap molekul CO2 pada gula berkaitan lima (Ribulosa bifosfat) dengan bantuan enzim RuBP karboksilase (Rubiska) yang menghasilkan produk tidak stabilnya yang akan segera terurai separuhnya untuk membuat molekul 3-fosfogliserat (untuk tiap CO2) (Campbell, 2000).
Pada proses reduksi, tiap molekul 3-fosfogliserat akan menerima gugus fosfat yang menghsilkan 1,3-bifosfogliserat. Dengan adanya sumbangan elektron dari NADPH maka 1,3-bifosfogliserat tereduksi menjadi G3P yang menyimpan banyak energi potensial (Campbell, 2000).
Untuk setiap enem molekul G3P yang dihasilkan, lima molekul akan digunakan untuk membentuk RuBP baru sehingga CO2 dapat terus menerus difiksasi, sedangkan satu molekul yang tersisa akan digunakan oleh sel tumbuhan (dalam bentuk disakarida seperti sukrosa atau yang lebih sering akan terakumulasi pati di tempat berlangsungnya aktifitas fotosintesis). Sel tumbuhan juga mengkonversinya menjadi lipid dan protein yang diperlukannya (Fried, 2005).
Fase ketiga yakni fase regenerasi, yakni rangka karbon yang terdiri atas lima molekul G3P disusun ulang oleh langkah terakhir dalam siklus Calvin menjadi tiga molekul RuBP dengan bantuan energi dari ATP sebanyak tiga molekul. RuBP yang telah diregenasi telah siap untuk memulai fase awalnya kembali untuk menerima CO2 kembali untuk melanjutkan siklus (Campbell, 2000).
Reaksi gelap di dalam fotosintesis dapat dituliskan menjadi:
CO2 + 2NADP + H2 2NADP + CO2 + H2O
Menunjukkan bahwa dengan bantuan CO2 (fiksasi CO2) dengan NADPH menjadi bahannya akan menghasilkan gula / karbohidrat sebagai akhir dari proses fotosintesis (Weisz, 1959).
Reaksi terang dan siklus Calvin bekerjasama mengubah energi cahaya menjadi energi kimiawi berupa makanan dengan reaksi :
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 + 686 kal
Kedua tahap fotosintesis ini dikenal dengan reaksi terang (bagian foto dari fotosintesis) dan siklus Calvin (bagian sintesis) (Campbell, 2000)
Reaksi terang menggunakan energi matahari untuk membuat ATP dan NADPH, yang masing-masing berfungsi sebagai energi kimiawi dan tenaga pereduksi dalam siklus Calvin. Berlawanan dengan ATP yang dihasilkan oleh respirasi seluler, ATP yang diproduksi dalam reaksi terang fotosintesis biasanya digunakan untuk satu jenis kerja seluler ,yakni menggerakkan siklus Calvin. Siklus Calvin memasukkan CO2 ke dalam molekul organik, yang diubah menjadi gula yang merupakan kelipatan dari CH2O. Membran tilakoid, khususnya yang berada di grana, merupakan tempat reaksi terang, sementara siklus Calvin terjadi pada Stroma (Campbell, 2000).


2.3 Faktor-faktor yang mempengaruhi fotosintesis
2.3.1 Klorofil
Klorofil merupakan bahan essensial dari proses fotosintesis yang biasanya terdapat pada tumbuhan berhijau daun yang di dalamnya mengandung butir-butir kloroplas (Banner, 1952)
Klorofil adalah pigmen biologi yang terpenting dan terlihat berwarna hijau di mata manusia dikarenakan ia menyerap cahaya berwarna hijau dan merah (Rosenberg,1965).
Klorofil dapat diekstrasikan dengan pelarut seperti ester dan aseton untuk molekul lipophilic hanya ditemukan pada membran yag mengandung lipid (Rosenberg, 1965).
Di dalam klorofil terdapat butir-butir kloroplas, didalamnya terdapat stroma (ruang yang tidak terstruktur yang berisi cairan), grana (berupa tupukan cakram-cakram pipih) yang terikat kuat pada membran tilakoid serta dapat dimasuki oleh molekul-molekul yang terdapat di dalam stroma, dimana reaksi Calvin Benson terjadi (Fried, 2005).
Kloroplas merupakan tempat fotosintesis pada tumbuhan yang banyak ditemukan pada sel mesofil, jaringan yang terdapat di bagian dalam daun (Campbell, 2000).
Klorofil a adalah konjugasi molekul macrocyclic (masa 894) dengan kepala planar dan empat cincin pirol yang diposisikan sebagai molekul di dalam membran (Rosenberg, 1965).
Korofil a adalah donor elektron yang baik (potensial keelektronegatifan terbesar) dan disaat reaksi pusat terjadi ia bersifat sebagai substansi oksidasi yang paling kuat yang dapat menerima elektron secara langsung dari air (Marsland,1964).
Klorofil lebih kurang larut di dalam ester petrolum dibandingkan dengan klorofil a tetapi lebih mudah larut dalam metil alkohol misalnya (Rosenberg, 1965).
Perbedaan penyerapan spektra dan molar koefisien membuat klorofil dapat dihitung secara spectrometical di dalam larutan yang tak murni (Galston, 1964).
Bentuk dari klorofil a disebut P700 (P untuk pigmen dan panjang gelombang dari perubahan penyerapan cahaya) dan ia diasumsikan sebagai pusat reaksi fotosistem I (PSI). Dengan panjang gelombang 680 nm yang bersifat equivalen dengan P700 yang akan bekerja secara berasosiasi pada pusat reaksi yang disebut fotosistem II (PSII) atau P680 (rosenberg, 1965).
P700,P680,P870 mengubah energi cahaya menjadi bentuk energi kimia. Tahap ini merupakan fotokimia di dalam fotosintesis yang memiliki cara yang unik dan spesial (Marsland, 1964)

2.3.2 Cahaya
Pada tahun 1937,seorng ahli biokimia Inggris yang bernama Robin hill mengisolasi kloroplas fragmen yang dapat meenghasilkan oksigen saat dilakukan pencahayaan dengan bantuan sinar matahari (Rosenberg, 1965).
Cahaya merupakan bentuk energi yang dikenal sebagai energi elektromagnetik, yang disebut juga radiasi. Cahaya yang paling efektif diserap oleh tumbuhan adalah warna biru dan warna merah karena merupakan warna yang paling bermanfaat sebagai energi untuk reaksi terang (Campbell, 2000).
Kita melihat warna hijau saat melihat daun karena pigmen klorofil menyerap cahaya merah dan biru, serta memantulkan kembali warna hijau (Campbell, 2000).
Saat tumbuhan hijau ditempatkan pada suatu tempat dengan kegelepan total, dia tetap dapat memperoleh oksigen dan CO2 (melakukan respirasi). Jika cahaya dengan intensitas yang lemah jatuh pada tanaman tersebut, akan menghasilkan fiksasi CO2 dan evolusi oksigen akan terjadi (Banner, 1952).
Dengan intensitas cahaya yang sangat rendah,reaksi pertukaran gas fotosintetik mungkin masih lebih kecil bila dibandingkan dengan respirasi pertukaran gas. Jadi dengan adanya efek dari pemberian cahaya akan mengurangi produksi O2 dan evolusi CO2 (Banner, 1952).
Sebanding dengan kenaikan intensitas cahaya yang sangat rendah, reaksi pertukaran gas fotosintesis dan respirasi pertukaran gas pada titik kompensasi.Disaat intensitas cahaya meningkat dibawah titik kompensasi maka CO2 diserap dan O2 dihasilkan. Dengan pemberian intensitas yang tinggi, maka tidak akan ada lagi peningkatan pertukara gas seiring meningkatnya intensitas karena kini tanaman telah dalam kondisi dengan cahaya ”jenuh” (Banner, 1952).
Terdapat tiga faktor eksternal menurut Blackman, yakni intensitas cahaya, konsentrasi CO2 dan temperetur-bersama dengan faktor internal sangat berpengaruh pada tumbuhan itu sendiri (Weisz, 1959).

2.3.3 Karbondioksida (CO2)
Laju maksimum fotosintesis pada fiksasi CO2 dimana tumbuhan dapat dipengaruhi oleh intensitas cahaya dan konsentrasi CO2 di udara sekitarnya. Laju fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya pada keadaan CO2 yang memiliki tiga konsentrasi yang berbeda (Banner, 1952).
Saat konsentrasi CO2 paling rendah di atmosfir, laju maksimum fotosintasis didapat dengan intensitas cahaya yang rendah (relatuf). Intensitas cahaya yang lebih tinggi tidak akan meningkatkan pengangkutan CO2 sejak konsentrasi CO2 sekarang dibatasi oleh faktor limit (Banner, 1952).
Setiap peningkatan konsentrasi CO2 membutuhkan intensitas cahaya yang labih tinggi agar tercapai titik keseimbangan cahaya. Jadi laju fotosintesis dapat didefinisikan sebagai fungsi dari konsentrasi CO2 pada intensits cahaya yang berbeda. Sehingga sudah sangat jelas apabila konsentrasi CO2 yang relatif rendah pada suatu sistem akan membuat cahaya mencapai titik seimbang pada intensitas cahaya yang relatif rendah pula. Seariang dengan intensitas cahaya yang meningkat, konsentrasi CO2 yang lebih tinggi dibutuhkan untuk menyeimbangkan suatu sistem tersebut (Banner, 1952).

2.3.4 Temperatur
Pengaruh dari temperatur pada laju fotosintesis bergantung pada cuaca atau proses fotosintesis tersebut cahaya dan CO2-nya terbatas. Saat intensitas cahya yang rendah ( saat laju cahaya dibatasa), laju fotosintesis tidak dipengaruhi oleh temperatur, namun disaat intensitas cahaya lebih tinggi (saat laju CO2 dibatasi), laju fotosintesis meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur (Banner, 1952).
Dapat disimpulkan bahwa proses fotosintesis terbagi menjadi dua komponen proses, proses pertama membutuhkan cahaya sedangkan proses kedua membutuhkan CO2, dan dari kedua proses tersebut berbeda saat memberi respon pada perubahan suhu (Banner, 1952).

2.4 Fotosistem
Klorofi a/b pada fotosistem II mengumpulkan paling banyak energi cahaya di dalam biosfer. Fotosistem II (FSII) adalah termasuk bagian protein membran yang berperan dalam proses fotosintesis dalam pengubahan energi yang berbentuk energi kimia. FSII memegang peranan penting dalam pengorganisasian pada membran tilakoid, regulasi energi antara dua fotosistem dan sebagai pengontrol disipasi dari pengeluaran energi (Science direct, 2009).
Kompleks penangkapan cahaya pada fotosistem II adalah berupa protein membran yang sangat penting di dunia karena mengandung sebanyak 30% protein yang terdapat di membran tilakoid dan sisanya bamyak terdapat di kloroplas (Science direct, 2009).
Seperti namanya, fungsi utama dari fotosistem II adlah untuk membuat proses fotosintesis pada tumbuhan hijau semakin efektif dengan menerima foton cahaya dan mengirimnya sebagai energi pada pusat reaksi (Science direct, 2009).