FOTOSINTESIS

FOTOSINTESIS

Buah hasil produk fotosintesis

PENGERTIAN

Pada prinsipnya pertanian merupakan sistem pemanfaatan energi matahari melaluhi proses yang dinamakan fotosintesis.Karena fotosintesis merupakan batu pijakan produksi pangan.

Fotosintesis  adalah proses pemanfaatan  energi cahaya sebagai energi kimia dalam molekul organik

1. Photoactivation klorofil yang menghasilkan konversi energi cahaya menjadi energi kimia ATP dan reduksi NADP.
2. Dalam siklus Calvin yang melibatkan cahaya-independen fiksasi karbon dioksida oleh kombinasi dengan lima-senyawa karbon (RuBP) untuk menghasilkan tiga senyawa karbon, GP (PGA), dan kemudian konversi senyawa ini ke dalam karbohidrat, asam- asam dan lipid
3. Terjadi di dalam kloroplas yang memiliki kemampuan menangkap cahaya energi dari matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia .

Fotosintesis pada tumbuhan

Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan air untuk menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Perhatikan persamaan reaksi yang menghasilkan glukosa berikut ini:

6H₂O + 6CO₂ + cahaya → C₆H₁₂O₆ (glukosa) + 6O₂

Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas. klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan.

Tahapan –tahapan Fotosintesi, yaitu :

1. Reaksi mengkonversi energi cahaya matahari untuk menjadi energi kimia.
2. Siklus Calvin menggabungkan CO2 dari atmosfer menjadi molekul organik dan menggunakan energi dari reaksi terang dengan  mengurangi karbon baru potong menjadi gula (DARK REAKSI).

REAKS TERANG :

Dalam reaksi terang energi cahaya diserap oleh klorofil dalam drive thylakoids transfer elektron dan hidrogen dari air ke NADP + (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat), membentuk NADPH.

NADPH, akseptor elektron, memberikan energi elektron

Juga reaksi terang menghasilkan ATP oleh fotofosforilasi untuk siklus Calvin.

REAKSI GELAP(DARK REAKTION).

Siklus Calvin menggabungkan CO2 dari atmosfer menjadi molekul organik dan menggunakan energi dari reaksi terang untuk mengurangi karbon, kemudian diubah menjadi gula

• Siklus Calvin dinamai Melvin Calvin yang bekerja di luar banyak dari langkah-langkah di tahun 1940-an dengan rekan-rekannya.
• Dimulai dengan penggabungan CO2 menjadi molekul organik melalui fiksasi karbon.
• ATP dari reaksi terang juga kekuatan bagian dari siklus Calvin.
•  Reaksi  cahaya terjadi pada thylakoids, siklus Calvin terjadi di stroma.

Jarak antara puncak-puncak gelombang elektromagnetik disebut panjang gelombang.

Panjang gelombang radiasi elektromagnetik berkisar antara kurang dari satu nanometer (sinar gamma) untuk lebih dari satu kilometer (gelombang radio).

Seluruh rentang radiasi elektromagnetik adalah spektrum elektromagnetik.

• Foton tidak benda-benda nyata, tetapi mereka memiliki jumlah tetap energi.
• Jumlah energi yang dikemas dalam sebuah foton berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya.
• Foton dengan panjang gelombang yang lebih pendek kemasan lebih banyak energi.
• Sementara matahari memancarkan spektrum elektromagnetik yang lengkap, suasana selektif layar keluar paling panjang gelombang, cahaya tampak hanya memungkinkan untuk lulus dalam jumlah signifikan.
• Pigmen yang berbeda menyerap panjang gelombang foton yang berbeda.
• Sebuah daun tampak hijau karena klorofil, pigmen yang dominan, menyerap cahaya merah dan biru, sedangkan transmisi dan memantulkan cahaya hijau

• Reaksi terang dapat bekerja sama dengan panjang gelombang cahaya yang diserap.
• Dalam tilakoid beberapa pigmen yang berbeda dalam spektrum penyerapan mereka.
• Klorofil a, pigmen yang dominan, menyerap terbaik dalam panjang gelombang merah dan biru, dan paling tidak dalam hijau.

Secara kolektif, pigmen fotosintetik ini menentukan keseluruhan spektrum untuk fotosintesis.

Langkah-langkah perubahan spektrum dalam beberapa ukuran aktivitas fotosintetik (misalnya, O2 rilis) sebagai panjang gelombang bervariasi.

                                                                                                                            

Spektrum fotosintesis tidak sama persis penyerapan spektrum salah satu pigmen fotosintetik, termasuk klorofil a.

·        Hanya klorofil yang turut berpartisipasi secara langsung dalam reaksi-reaksi cahaya tapi aksesori pigmen fotosintetik menyerap cahaya dan transfer energi untuk klorofil a.

·        Klorofil b, dengan struktur yang sedikit berbeda dari klorofil a, memiliki sedikit berbeda dan saluran spektrum penyerapan energi dari panjang gelombang ini ke klorofil a.

·        Karotenoid dapat menyalurkan energi dari panjang gelombang lain untuk klorofil a dan juga berpartisipasi dalam photoprotection terhadap cahaya berlebihan.

·        Foton diserap oleh kelompok-kelompok pigmen molekul dalam membran tilakoid. Energi foton diubah menjadi energi potensial dari sebuah elektron terangkat dari tanah negara untuk sebuah negara bersemangat.

·        Dalam klorofil a dan b, sebuah elektron dari magnesium dalam cincin porfirin

.

`Beberapa pigmen, termasuk klorofil, merilis sebuah foton cahaya, dalam proses yang disebut fluoresensi, serta panas.

·        Pada membran tilakoid, klorofil ini disusun bersama-sama dengan protein dan molekul-molekul organik yang lebih kecil ke fotosistem.

·        Sebuah fotosistem bertindak seperti cahaya-pertemuan "antena kompleks" yang terdiri dari beberapa ratus klorofil a, klorofil b, dan karotenoid molekul.

·        Ada dua jenis fotosistem.

1.      Fotosistem I memiliki pusat reaksi klorofil, pusat P700, yang memiliki puncak serapan pada 700nm.

2.      Fotosistem II memiliki pusat reaksi dengan puncak pada 680nm.

Perbedaan antara pusat-pusat reaksi ini (dan penyerapan spektrum) tidak berada di molekul klorofil, tetapi dalam protein yang terkait dengan setiap pusat reaksi.

Kedua fotosistem bekerja sama untuk menggunakan energi cahaya untuk menghasilkan ATP dan NADPH.

·        Fotofosforilasi aliran elektron, rute utama, keduanya menghasilkan ATP dan NADPH. Ketika fotosistem II menyerap cahaya, suatu elektron ditangkap oleh elektron primer akseptor, meninggalkan pusat reaksi teroksidasi.

·        Ekstrak enzim elektron dari air dan pasokan mereka ke pusat reaksi teroksidasi.

            Reaksi ini air terpecah menjadi dua ion hidrogen dan sebuah atom oksigen yang menggabungkan dengan yang lain untuk membentuk O₂.

·      Di bagian bawah rantai transpor elektron ini, elektron elektron mengisi "lubang" di sebuah pusat P700 teroksidasi.

·      Lubang ini terbentuk  ketika foton membangkitkan elektron pada fotosistem I kompleks.

·      Pada akhirnya, elektron ini berlalu dari rantai transpor untuk NADP +, menjadi NADPH.

            NADPH akan membawa kekuatan mengurangi energi tinggi ini elektron ke siklus Calvin.

·        Rantai transpor elektron pompa proton melintasi membran sebagai elektron melewati serangkaian elektronegatif

·        ATP sintase memanfaatkan molekul-kekuatan pendorong proton untuk menghasilkan ATP sebagai H + berdifusi kembali melintasi membran.

·        Mitokondria mentransfer energi kimia dari molekul makanan menjadi ATP dan kloroplas mengubah energi cahaya menjadi energi kimia ATP.                                 

·        Siklus Calvin menggunakan ATP dan NADPH untuk mengkonversi CO2 menjadi gula

·        Siklus menghabiskan energi ATP dan mengurangi tenaga elektron dibawa oleh NADPH untuk membuat gula.

·        Produk gula yang sebenarnya dari siklus Calvin tidak glukosa, tapi tiga-karbon gula, gliseraldehida-3-fosfat (G3P).

Siklus Calvin memiliki tiga fase.

1.    Fase  fiksasi karbon,

Masing-masing molekul CO2 terikat pada karbon lima gula, ribulosa bisphosphate (RuBP) yang dikatalisis oleh RuBP karboksilase atau rubisco.

Enam karbon antara perpecahan dalam setengah untuk membentuk dua molekul 3-phosphoglycerate per CO2.

• Masing-masing 3-lainnya phosphoglycerate menerima gugus fosfat dari ATP membentuk 1,3 bisphosphoglycerate.

2.                            Fase Reduksi .

Sepasang elektron dari NADPH mengurangi masing-masing 1,3 bisphosphoglycerate untuk G3P.

• Elektron mengurangi gugus karboksil ke sebuah gugus karbonil.                                

·        Untuk  menghasilkan satu G3P bersih, kita akan mulai dengan 3 CO2 (3C) dan tiga RuBP 

• Satu dari keenam G3P (3C) adalah hasil bersih dari karbohidrat.

      Molekul ini dapat keluar dari siklus yang akan digunakan oleh sel tanaman.

• Lima lainnya harus tetap dalam siklus untuk menjadi tiga RuBP.

3.        Fase regenerasi

        Kelima  molekul G3P  membentuk molekul 3 RuBP

            Untuk melakukan hal ini, siklus memerlukan tiga molekul ATP (satu per RuBP) untuk  mempersiapkan siklus berikutnya.

Fiksasi karbondioksida

Berhubungan dengan jalan metabolisme karbon dalam proses fotosintesis , proses fotosintesis dari tanaman Eugenia aquea adalah fiksasi karbon C3. Dalam proses ini prinsipnya mengkonversi gas karbon dioksida dan ribulose bisphosphate (Rubp yaitu suatu gula carbon 5) ke dalam 3-phosphoglycerate melalui reaksi berikut :

6CO2 + 6 Rubp 12 3-phosphoglyserat

Tumbuhan C3 tumbuh dengan karbon fiksasi C3 biasanya tumbuh denga baik di area dimana intensitas sinar matahari cenderung sedang, temperature sedang dan dengan knsentrasi CO2 sekitar 200 ppm atau lebih tinggi, dan juga dengan air tanah yang berlimpah. Tumbuhan C3 harus berada dalam area dengan konsentrasi gas karbondioksida yang tinggi sebab Rubisco sering menyertakan molekul oksigen ke dalam Rubp sebagai pengganti molekul karbondioksida. Konsentrasi gas karbondioksida yang tinggi menurunkan kesempatan Rubisco untuk menyertakan molekul oksigen. Karena bila ada molekul oksigen maka Rubp akan terpecah menjadi molekul 3-karbon yang tinggal dalam siklus Calvin, dan 2 molekul glikolat akan dioksidasi dengan adanya oksigen, menjadi karbondioksida yang akan menghabiskan energi sel.

Perbedaan tumbuhan C3 dan C4 adalah cara kedua tumbuhan memfiksasi CO2. Pada tumbuhan C3,CO2 hanya difiksasi RuBP oleh karboksilase RuBP. Karboksilase RuBP hanya bekerja apabila CO2 jumlahnya berlimpah. Tetapi pada sintesis C4,enzim karboksilase PEP memfiksasi CO2 pada akseptor karbon lain yaitu PEP. Karboksilase PEP memiliki daya ikat yang lebih tinggi terhadap CO2 daripada karboksilase RuBP. Oleh karena itu,tingkat CO2 menjadi sangat rendah pada tumbuhan C4,jauh lebih rendah daripada konsentrasi udara normal dan CO2 masih dapat terfiksasi ke PEP oleh enzim karboksilase PEP. Sistem perangkap C4 bekerja pada konsentrasi CO2 yang jauh lebih rendah.

Siklus fiksasi karbon C3

Berdasarkan tipe fotosintesis, tumbuhan dibagi ke dalam tiga kelompok besar, yaitu C3, C4, dan CAM (crassulacean acid metabolism). Tumbuhan C4 dan CAM lebih adaptif di daerah panas dan kering dibandingkan dengan tumbuhan C3. Namun tanaman C3 lebih adaptif pada kondisi kandungan CO2 atmosfer tinggi. Sebagian besar tanaman pertanian, seperti gandum, kentang, kedelai, kacang-kacangan, dan kapas merupakan tanaman dari kelompok C3. Tanaman C3 dan C4 dibedakan oleh cara mereka mengikat CO2 dari atmosfir dan produk awal yang dihasilkan dari proses assimilasi.

Pada tanaman C3, enzim yang menyatukan CO2 dengan RuBP (RuBP merupakan substrat untuk pembentukan karbohidrat dalam proses fotosintesis) dalam proses awal assimilasi, juga dapat mengikat O2 pada saat yang bersamaan untuk proses fotorespirasi ( fotorespirasi adalah respirasi,proses pembongkaran karbohidrat untuk menghasilkan energi dan hasil samping, yang terjadi pada siang hari) . Jika konsentrasi CO2 di atmosfir ditingkatkan, hasil dari kompetisi antara CO2 dan O2 akan lebih menguntungkan CO2, sehingga fotorespirasi terhambat dan assimilasi akan bertambah besar.

Pada tanaman C4, CO2 diikat oleh PEP (enzym pengikat CO2 pada tanaman C4) yang tidak dapat mengikat O2 sehingga tidak terjadi kompetisi antara CO2 dan O2. Lokasi terjadinya assosiasi awal ini adalah di sel-sel mesofil (sekelompok sel-sel yang mempunyai klorofil yang terletak di bawah sel-sel epidermis daun). CO2 yang sudah terikat oleh PEP kemudian ditransfer ke sel-sel “bundle sheath” (sekelompok sel-sel di sekitar xylem dan phloem) dimana kemudian pengikatan dengan RuBP terjadi. Karena tingginya konsentasi CO2 pada sel-sel bundle sheath ini, maka O2 tidak mendapat kesempatan untuk bereaksi dengan RuBP, sehingga fotorespirasi sangat kecil and G sangat rendah, PEP mempunyai daya ikat yang tinggi terhadap CO2, sehingga reaksi fotosintesis terhadap CO2 di bawah 100 m mol m-2 s-1 sangat tinggi. , laju assimilasi tanaman C4 hanya bertambah sedikit dengan meningkatnya CO2
Sehingga, dengan meningkatnya CO2 di atmosfir, tanaman C3 akan lebih beruntung dari tanaman C4 dalam hal pemanfaatan CO2 yang berlebihan.

Contoh tanaman C3 antara lain : kedele, kacang tanah, kentang, apel dll
contoh tanaman C4 adalah jagung, sorgum dan tebu. Tumbuhan C4 dan CAM lebih adaptif di daerah panas dan kering dibandingkan dengan tumbuhan C3. Namun tanaman C3 lebih adaptif pada kondisi kandungan CO2 atmosfer tinggi. Sebagian besar tanaman pertanian, seperti padi, gandum, kentang, kedelai, kacang-kacangan, dan kapas merupakan tanaman dari kelompok C3. Tanaman pangan yang tumbuh di daerah tropis, terutama gandum, akan mengalami penurunan hasil yang nyata dengan adanya kenaikan sedikit suhu karena saat ini gandum dibudidayakan pada kondisi suhu toleransi maksimum.

Gambaran pada Apel yang  merupakan tanaman C3, yaitu tanaman yang fiksasi karbon awal melalui rubisko, enzim siklus Calvin yang menambahkan CO2 pada ribulosa bisfosfat dan produk produk fiksasi karbon organik pertama ialah senyawa berkarbon-tiga, 3-fosfogliserat. Tanaman ini memproduksi sedikit makanan apabila stomatanya tertutup pada hari yang panas dan kering. Tingkat CO2 yang menurun dalam daun akan mengurangi bahan ke siklus Calvin. Yang membuat keadaan ini memburuk, rubisko dapat menerima O2 sebagai pengganti CO2. Karena konsentrasi O2 melebihi konsentrasi CO2 dalam ruang udara di dalam daun, rubisko menambahkan O2 pada siklus Calvin dan bukannya CO2. Produknya terurai, dan satu potong, senyawa berkarbon-dua, dikirim keluar dari kloroplas. Mitokondria dan peroksisom kemudian memecah molekul berkarbon-dua menjadi CO2. Proses ini disebut fotorespirasi karena proses ini terjadi dalam cahaya (foto) dan mengkonsumsi O2 (respirasi). Akan tetapi, tidak seperti respirasi seluler, fotorespirasi tidak menghasilkan ATP. Dan tidak seperti fotosintesis, fotorespirasi tidak menghasilkan makanan. Sebenarnya, fotorespirasi menurunkan keluaran fotosintesis dengan menyedot bahan organic dari siklus Calvin.

Daun apel digunakan sebagai penangkap energi dari cahaya matahari untuk fotosintesis karena apel termasuk autotrof obligat, ia harus memasok kebutuhan energinya sendiri melalui konversi energi cahaya menjadi energi kimia. Daun apel juga berfungsi sebagai organ pernapasan. Di daun terdapat stomata yang berfungsi sebagai organ respirasi.

Tabel 1. Perbedaan antara tanaman C₃ dan C₄

No	Sifat-sifat	C3	C4
1	Jalur utama fiksasi CO2	C3	C3 + C4
2	Hasil pertama fiksasi CO2	PGA	Oksaloasetat
3	Molekul penerima CO2	RuBP	PEP
4	Enzim pada fiksasi CO2	RuBP karboksilase	PEP karboksilase
5	O2 sebagai penghambat fotosintesis	ya	tidak
6	fotorespirasi	tinggi	rendah
7	Fotosintesis maksimum	10 – 40 ppm	30 – 90 ppm
8	Suhu opt. Fotosintesa	15 – 30 oC	30 – 45 oC
9	Kebutuhan cahaya untuk fotosintesis	10 –40 % chy. Mthr. Pnh	Cahaya matahari penuh
10	Reaksi stomata thd CO2	Kurang peka	Lebih peka

Tumbuhan CAM

Beberapa spesies tumbuhan mempunyai sifat yang berbeda dengan kebanyakan tumbuhan lainnya, yakni Tumbuhan ini membuka stomatanya pada malam hari dan menutupnya pada siang hari. Kelompok tumbuhan ini umumnya adalah tumbuhan jenis sukulen yang tumbuh da daerah kering. Dengan menutup stomata pada siang hari membantu tumbuhan ini menghemat air, dapat mengurangi laju transpirasinya, sehingga lebih mampu beradaptasi pada daerah kering tersebut.

Selama malam hari, ketika stomata tumbuhan itu terbuka, tumbuhan ii mengambil CO₂ dan memasukkannya kedalam berbagai asam organic. Cara fiksasi karbon ini disebut metabolisme asam krasulase, atau crassulacean acid metabolism (CAM).

Dinamakan demikian karena metabolisme ini pertama kali diteliti pada tumbuhan dari famili crassulaceae. Termasuk golongan CAM adalah Crassulaceae, Cactaceae, Bromeliaceae, Liliaceae, Agaveceae, Ananas comosus, dan Oncidium lanceanum.

Jalur CAM serupa dengan jalur C₄ dalam hal karbon dioksida terlebih dahulu dimasukkan kedalam senyawa organic intermediet sebelum karbon dioksida ini memasuki siklus Calvin. Perbedaannya ialah bahwa pada tumbuhan C₄, kedua langkah ini terjadi pada ruang yang terpisah. Langkah ini terpisahkan pada dua jenis sel. Pada tumbuhan CAM, kedua langkah dipisahkan untuk sementara. Fiksasi karbon terjadi pada malam hari, dan siklus calvin berlangsung selama siang hari.

Faktor penentu laju fotosintesis

Proses fotosintesis dipengaruhi beberapa faktor yaitu faktor yang dapat mempengaruhi secara langsung seperti kondisi lingkungan maupun faktor yang tidak mempengaruhi secara langsung seperti terganggunya beberapa fungsi organ yang penting bagi proses fotosintesis.  Proses fotosintesis sebenarnya peka terhadap beberapa kondisi lingkungan meliputi kehadiran cahaya matahari, suhu lingkungan, konsentrasi karbondioksida (CO₂). Faktor lingkungan tersebut dikenal juga sebagai faktor pembatas dan berpengaruh secara langsung bagi laju fotosintesis. Faktor pembatas tersebut dapat mencegah laju fotosintesis mencapai kondisi optimum meskipun kondisi lain untuk fotosintesis telah ditingkatkan, inilah sebabnya faktor-faktor pembatas tersebut sangat mempengaruhi laju fotosintesis yaitu dengan mengendalikan laju optimum fotosintesis. Selain itu, faktor-faktor seperti translokasi karbohidrat, umur daun, serta ketersediaan nutrisi mempengaruhi fungsi organ yang penting pada fotosintesis sehingga secara tidak langsung ikut mempengaruhi laju fotosintesis.

Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis

Intensitascahaya
Laju fotosintesis akan meningkat pada intensitas cahaya meningkat hanya apabila diimbangi kenaikan kadar CO2, yaitu sekitar tengah hari, yakni pada saat intensitas cahaya mencapai puncaknya. Demikian sebaliknya. Penutupan cahaya matahari oleh awan juga akan mengurangi laju fotosintesis.

1. Konsentrasi karbon dioksida
   Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.
2. Suhu
   Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.
3. Kadar air
   Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.
4. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)
   Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.
5. Tahap pertumbuhan
   Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.
6. Pengaruh umur daun.

Umur daun akan mempengaruhi laju fotosintesis. Kemampuan daun untuk berfotosintesis meningkat pada awal perkembangan daun, tetapi kemudian mulai turun, kadang sebelum daun tersebut berkembang penuh.