Fotosintessiss

Organisme dan fungsi suatu sel hidup bergantung pada persediaan energi yang tak henti-hentinya. Sumber energi ini tersimpan dalam molekul organik, seperti dalam karbohidrat. Satu-satu sumber sumber molekul bahan bakar yang sering menjadi tempat bergantung seluruh kehidupan ialah fotosintesis. Struktur tumbuhan yang tidak hijau, seperti halnya batang yang berkayu, akar, bunga, dan buah sebenarnya menggunakan dalam proses respirasi. Fotosintesis hanya berlangsung jika ada pigmen hijau yaitu klorofil (Kimball, 1994). 

Fotosintesis adalah suatu proses yang hanya terjadi pada tumbuhan yang berklorofil dan bakteri fotosintetik, dimana energi matahari (dalam bentuk foton) ditangkap dan diubah menjadi energi kimia (ATP dan NADPH). Energi kimia ini akan digunakan untuk fotosintesa karbohidrat dari air dan karbondioksida. Jadi, seluruh molekul organik lainnya dari tanaman disintesa dari energi dan adanya organisme hidup lainnya tergantung pada kemampuan tumbuhan atau bakteri fotosintetik untuk berfotosintesis (Devlin, 1975).

Fotosintesis merupakan proses perubahan senyawa anorganik menjadi senyawa organic dengan bantuan  cahaya matahari. Faktor utama yang mempengaruhi fotosintesis adalah kandungan klorofil yang dimiliki oleh tanaman. Klorofil terdapat sebagai butir – butir dalam kloroplast yang terdapat pada stroma dan tilakoid. Butir – butir yang terdapat di dalamnya disebut grana. Pada tanaman tingkat tinggi ada dua macam klorofil utama yang ikut dalam proses fotosintesis, klorofilnya yaitu : (1) klorofil a = C55 H72 O5 N4 Mg dan (2) klorofil b = C55 H70 O6 N4 Mg (Dwijoseputro, 1985)

Ada beberapa pigmen yang berperan dalam membantu fotosintesis yaitu klorofil, picosianin, picoerytrin dan karoten. Dalam penyerapan cahaya, klorofil dapat mengabsorbsi blue violet dan merah dalam gelombang cahaya yang pendek dibandingkan dengan menyerap cahaya merah secara maksimal yang terjadi pada gelombang yang lebih panjang ( Abidin, 1987 ).

Klorofil merupakan pigmen hijau tumbuhan dan merupakan pigmen yang paling penting dalam proses fotosintesis. Sekarang ini, klorofil dapat dibedakan dalam 9 tipe : klorofil a, b, c, d, dan e. Bakteri klorofil a dan b, klorofil chlorobium 650 dan 660. klorofil a biasanya untuk sinar hijau biru. Sementara klorofil b untuk sinar kuning dan hijau. Klorofil lain (c, d, e) ditemukan hanya pada alga dan dikombinasikan dengan klorofil a. bakteri klorofil a dan b dan klorofil chlorobium ditemukan pada bakteri fotosintesin (Devlin, 1975).

Dalam pertumbuhan dan perkembangan tanaman terjadi berbagai proses fisiologis seperti respirasi, asimilasi, ekskresi transportasi dan lain – lain. Kemampuan tmbuhan untuk menggunakan zat karbon dari udara untuk dirubah menjadi bahan organic sehingga diasimilasi dalam tubuh tanaman berlangsung jika cukup adanya, oleh karena itu asimilasi zat karbon disebut juga dengan fotosintesis ( Kimball, 1983).

Klorofil pada tumbuhan ada dua macam, yaitu klorofil a dan klorofil b. perbedaan kecil antara struktur kedua klorofil pada sel keduanya terikat pada protein. Sedangkan perbedaan utama antar klorofil dan heme ialah karena adanya atom magnesium (sebagai pengganti besi) di tengah cincin profirin, serta samping hidrokarbon yang panjang, yaitu rantai fitol (Santoso, 2004).

Kloroplas berasal dari proplastid kecil (plastid yang belum dewasa, kecil dan hampir tak berwarna, dengan sedikit atau tanpa membran dalam). Pada umumnya proplastid berasal hanya dari sel telur yang tak terbuahi, sperma tak berperan disini. Proplastid membelah pada saat embrio berkembang, dan berkembang menjadi kloroplas ketika daun dan batang terbentuk. Kloroplas muda juga aktif membelah, khususnya bila organ mengandung kloroplas terpajan pada cahaya. Jadi, tiap sel daun dewasa sering mengandung beberapa ratus kloroplas. Sebagian besar kloroplas mudah dilihat dengan mikroskop cahaya, tapi struktur rincinya hanya bias dilihat dengan mikroskop elektron (Salisbury dan Ross, 1995).

Cahaya merupakan anergi dasar untuk proses fotosintesis karena energi matahari menggiatkan beberapa proses system enzim yang terlihat dalam rangkaian fotosintesis. Energi cahaya ditanggap oleh klorofil pada daun atau pada bagian tanaman lainnya yang mengandung klorofil cahaya dan klorofil menggalakkan proses pengadaan energi yang digunkan sintesa makro di dalam sel, misalnya karbohidrat dengan cara mereduksi CO2  yang berasal dari udara, yang menghasilkan oksigen ( Jumin, 1992 ).

Cahaya sangat mempengaruhi kecepatan fotosintesis, makin tinggi intensitas cahaya  maka fotosintesis makin cepat maka, untuk mendapatkan hasil fotosintesis yang maksimum diusahakan semua bagian daun kena cahaya matahari. Bila tak ada cahaya maka proses fotosintesis tak akan berlangung. Energi cahaya matahari yang dibutuhkan pada fotosintesis diserap oleh sel hijau daun yang disebut klorofil ( Bidwell, 1979 ). Kualitas cahaya merupakan salah satu factor yang mempengaruhi laju fotosintesis ( Darmawan dan Baharsyah, 1983 ).

Fase yang terjadi pada proses fotosintesis ada dua yaitu : 1) reaksi fotokimia ( reaksi cahaya ), reaksi ini terjadi pada grana, dimana disitu terjadi pada fotolisis dari air dengan membebaskan O2  dan disamping itu terbentuk asmilasitory power. Sifat – sifat reaksi fotokimia adalah perlu adanya energi cahaya matahari, tidak peka terhadap suhu dan kecepatan reaksi kimia relative lebih besar dari reaksi gelap. 2) reaksi gelap ( Blacman ), reaksi ini terjadi dimana reduksi CO2  dengan menggunakan hasil – hasil dari reaksi fotokimia, terjadi dari stroma dengan katalisator enzim – enzim dalam stroma. Grana tersusun dari lapisan – lapisan yang berganti – ganti antara lain protein dan lapisan lemak. Sifat – sifat dari reaksi gelap adalah tidak perlu adanya cahaya, peka terhadap suhu, kecepatan reaksinya relative lebih lambat dari reaksi fotokimia dan merupakan reaksi enzimatis ( Heddy, 1990 ).

Pancaran cahaya yang dibutuhkan tanaman tersebut hampir seluruhnya pada spectrum cahaya tampak ( yaitu cahaya putih, cahaya matahari). Energi cahaya yang diuraikan dengan istilah partikel disebut dengan foton, berbanding terbalik dengan panjang gelombang ( Harjadi, 1979 ).

Pengubahan energi matahari menjadi energi kimia ( karbohidrat ) dan kemudian mengubah energi kimia ini menjadi energi kerja pada peristiwa pernafasan dalam tubuh tergantung hewan atau manusia merupakan rangkaian proses kehidupan di dunia ini. Fotosintesis merupakan rangkaian kegiatan proses kehidupan pokok karena di dalam asimilasi nitrogen yangmerupakan bagian pertama rangkaian proses pembentukan protein itu sendiri tidak akan mungkin disusun tanpa adanya hasil fotosintesis ( Dwijoseputro, 1992 ).

Puncak kegiatan fotosintesis sesuai dengan banyak sinar dan tingginya temperature. Pada umumnya tumbuhan di daerah trofik tidak dapat melakukan fotosintesis di bawah suhu 5oC, sinar cukup dan CO2 –pun kurang akan tetapi kegiatan fotosintesis akan terhambat, jika temperatur tetap rendah. Dan jika temperature tinggi, akan tetapi sinar kurang banyak maka pembentuk CO2   ataupun peninggian temperature tidak akan mengakibatkan giatnya fotosintesis ( Dwijoseputro, 1992 ).

Laju fotosintesis dapat dihitung dengan cara megukur besarnya karbondioksida yang difiksasi setiap waktu dalam luas tertentu atau satuan luas lahan setiap waktu dalam luas tertentu atau satuan luas lahan setiap satu – satuan waktu. Laju fotosintesis dapat dijadikan sebagai alat untuk menjadikan aktifitas fotosintesis tanaman yang penting bagi pertanian ( Jumin, 1992 ).

Laju fotosintesis ditingkatkan tidak hanya oleh naiknya tingkat radiasi, tapi juga oleh konsentrasi CO2 yang lebih tinggi, khususnya bila stomata tertutup sebagian karena kekeringan (Salisbury dan Ross, 1995).

Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan klorofil antara lain gen, bila gen untuk klorofil tidak ada maka tanaman tidak akan memiliki klorofil. Cahaya, beberapa tanaman dalam pembentukan klorofil memerlukan cahaya, tanaman lain tidak memerlukan cahaya. Unsur N, Mg, Fe merupakan unsur-unsur pembentuk dan katalis dalam sintesis klorofil. Air, bila kekurangan air akan terjadi desintegrasi klorofil (Subandi, 2008).

Di dalam kloroplas ditemukan DNA, RNA, ribosom, dan berbagai enzim. Semua molekul ini sebagian besar terdapat di stroma, tempat berlangsungnya transkripsi dan translasi. DNA kloroplas (genom) terdapat dalam 50 atau lebih lingkaran jalur ganda melilit dalam tiap plastid. Berbagai gen plastid menyandi semua molekul RNA-pemindahan (sekitar 30), dan molekul RNA-ribosom (empat) yang digunakan oleh plastid untuk translasi. Kira-kira 85 gen seperti ini menyandi protein yang terlibat dalam transkripsi, translasi, dan fotosintesis. Tapi, sebagian besar protein disandi oleh gen nukleus (Salisbury dan Ross, 1995).

Warna daun berasal dari klorofil, pigmen warna hijau yang terdapat di dalam kloroplas. Energi cahaya yang diserap klorofil inilah yang menggerakkan sitesis molekul makanan dalam kloroplas. Kloroplas ditemukan terutama dalam sel mesofil, yaitu jaringan yang terdapat di bagian dalam daun. Karbon dioksida masuk ke dalam daun, dan oksigen keluar, melalui pori mikroskopik yang di sebut stomata (Campbell dan Reece, 2002).                  

Antara klorofil a dan klorofil b mempunyai struktur dan fungsi yang berbeda, dimana klorofil a di samping bias menyerap energi cahaya, klorofil ini juga bias merubah energi cahaya dan tidak bisa merubahnya menjadi energi kimia dan energi itu akan ditransfer dari klorofil b ke klorofil a. Klorofil b ini tidak larut dalam etanol tai dapat larut dalam ester, dan kedua jenis klorofil ini larut dalam senyawa aseton (Devlin, 1975).

Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik. Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya mengandung kloroplast yang mengandung klorofil/pigmen hijau yang merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari (Subandi, 2008).

Cahaya putih mengandung semua warna spektrum kasat mata dari merah-violet, tetapi seluruh panjang gelombang unsurnya tidak diserap dengan baik secara merata oleh klorofil. Adalah mungkin untuk menetukan bagaimana efektifnya setiap panjang gelombang (warna) diserap dengan menggunakan suatu larutan klorofil dengan cahaya monokromatik (cahaya berwarna satu) (Kimball, 2000).

Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda yang melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membran tersebut membentuk suatu sistem membran tilakoid yang berwujud sebagai suatu bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantung-kantung tilakoid tersebut dapat berlapis-lapis dan membentuk apa yang disebut grana Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedang pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintetis berlangsung di stroma (Subandi, 2008).

Sifat cahaya sebagai partikel biasanya diekspresikan dengan pernyataan bahwa cahaya menerpa sebagai foton (photon) atau kuanta, yang merupakan suatu paket diskrit dari energi, dimana masing-masing dikaitkan dengan panjang gelombang tertentu. Energi dalam tiap foton berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Cahaya biru dan ungu dengan panjang gelombang yang lebih pendek memiliki lebih banyak foton enrgetik dibanding cahaya merah atau jingga dengan gelombang yang lebih panjang (Lakitan, 2007).

Semua tanaman hijau mengandung klorofil a dan krolofil b. Krolofil a terdapat sekitar 75 % dari total klorofil. Kandungan klorofil pada tanaman adalah sekitar 1 % basis kering. Dalam daun klorofil banyak terdapat bersama-sama dengan protein dan lemak yang bergabung satu dengan yang lain. Dengan lipid, klorofil berikatan melalui gugus fitol-nya sedangkan dengan protein melalui gugus hidrofobik dari cincin porifin-nya. Rumus empiris klorofil adalah C55H72O5N4Mg (klorofil a) dan C55H70O6N4Mg (klorofil b) (Subandi, 2008).

Struktur klorofil berbeda-beda dari struktur karotenoid, masing-masing terdapat penataan selang-seling ikatan kovalen tunggal dan ganda. Pada klorofil, sistem ikatan yang berseling mengitari cincin porfirin, sedangkan pada karotoid terdapat sepasang rantai hidrokarbon yang menghubungkan struktur cincin terminal. Sifat inilah yang memungkinkan molekul-molekul menyerap cahaya tampak demikian kuatnya, yakni bertindak sebagai pigmen. Sifat ini pulalah yang memungkinkan molekul-molekul menyerap energi cahaya yang dapat digunakan untuk melakukan fotosintesis. Persamaan antara spektrum tindakan fotosintesis dan spektrum absorbsi klorofil menunjukkan bahwa dalam proses itu pigmen yang paling penting ialah klorofil. Akan tetapi kedua spektrum itu tidak sama. Energi diserap oleh karotenoid diteruskan klorofil a, disini energi digunakan dalam fotosintesis. Klorofil b mempunyai fungsi yang sama (Santoso, 2004).

Klorofil akan memperlihatkan fluoresensi, berwarna merah yang berarti warna larutan tersebut tidak hijau pada cahaya yang diluruskan dan akan merah tua pada cahaya yang dipantulkan (Noggle dan Fritz, 1979).        

Spektrofotometri sesuai dengan namanya adalah alat yang terdiri dari spektrofotometer dan fotometer akan menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang energi secara relatif. Jika energi tersebut ditransmisikan maka akan ditangkap oleh klorofil yang terlarut tersebut. Pada fotometer filter sinar dari panjang gelombang yang diinginkan akan diperoleh dengan berbagai filter yang punya spesifikasi melewati banyaknya panjang gelombang tertentu (Noggle dan Fritz, 1979).

Sel penutup memiliki klorofil di dalam selnya sehingga dengan bantuan cahaya matahari akan sangat berpengaruh buruk pada klorofil. Larutan klorofil yang dihadapkan pada sinar kuat akan tampak berkurang hijaunya. Daun-daun yang terkena langsung umumnya akan tampak kekuning-kuningan, salah satu cara untuk dapat menentukan kadar klorofil adalah dengan metoda spektofotometri (Dwijiseputro, 1986).

Beberapa karotenoid pada membran tilakoid juga mengirim energi eksitesinya ke pusat reaksi yang sama dengan klorofil. Secara in vintro, pigmen-pigmen yang berwarna kuning ini hanya menyerap cahaya biru dan ungu. Cahaya hijau, kuning, jingga dan merah dipantulkan oleh kedua pigmen ini. Kombinasi panjang gelombang yang dipantulkan oleh kedua pigmen karotenoid ini tampak berwarna kuning. Ada bukti yang menunjukkan bahwa beta-karoten lebih efektif dalam mentransfer energi ke kedua pusat reaksi dibanding lutein atau pigmen xanthofil yang disebut fucoxanthofil adalah sangat efektif dalam mentrensfer energi. Di samping berperan sebagai penyerap cahaya, karotenoid pada tilakoid juga berperan untuk melindungi klorofil dari kerusakan oksidatif oleh O2, jika intensitas cahaya sangat tinggi (Lakitan, 2007).

Daun dari kebanyakan spesies menyerap lebih dari 90 % cahaya ungu dan biru, demikian pula untuk cahaya jingga dan merah. Hampir seluruh penyerapan ini dilakukan oleh pigmen-pigmen pada kloroplas. Pada membran tilakoid, setiap foton dapat mengeksitasi satu elektron dari pigmen karotenoid atau klorofil. Klorofil berwarna hijau merupakan bukti bahwa pigmen ini tidak efektif untuk menyerap cahaya hijau. Cahaya hijau oleh klorofil dipantulkan atau diteruskan. Penyerapan relatif untuk setiap panjang gelombang oleh pigmen dapat diukur dengan spektrofotometer (Lakitan, 2007).

Fungsi fotosintesis adalah bersumber dari fungsi cahaya yaitu mengangkut electron dari H2O untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH dan menyediakan energi untuk membentuk ATP dari ADP dan Pi. Perubahan ADP dan Pi menjadi ATP dikloroplas ditemukan di laboratorium Daniel Arnon di Universitas Of California, Berkeley tahun 1954. Arnon menemukan bahwa ATP disintesis dalam kloroplas yang hannya diisolasi pada waktu ada cahaya dan proses ini dinamakan fosforilasi fotosintetik atau fotofosforolasi.  Fotofosforolasi dikloroplas menghasilkan ATP lebih banyak dalam daun selama ada cahaya daripada fosforilasi oksidasi di mitikondria dau tersebut ( Salisburry dan Ross, 1995 ).