Reaksi Terang dan Reaksi Gelap atau Siklus Calvin

Pada kesempatan ini ilmu kuadrat akan membahas mengenai suatu topik yang sangat penting dalam dunia Fotosintesis. Apa itu? Jawabannya adalah reaksi gelap dan terang. Sebelum kita menuju reaksi-reaksi itu, kita cari tahu dulu yuk mengenai fotosintesis. Yup, fotosintesis, suatu proses perubahan energi cahaya menjadi energi kimia yang disimpan dalam bentuk gula dan molekuk organik lain.

Organisme yang mampu melakukan fotosintesis disebut sebagai organisme autotrof. Autotrof ini memiliki pengertian pemberi makan sendiri. Autotrof berasal dari kata auto yang artinya sendiri dan kata trophos yang artinya memberi makan.) karena auttrof ini bisa membuat makanannya sendiri, sehingga ia tidak memakan makhluk lain untuk mendapatkan zat organik. Organisme ini membuat molekul organik yang dibutuhkannya berasal dari penambatan karbon dioksida dan zat-zat anorganik lainnya yang berada di lingkungan.

As your information temans, sebagian besar tumbuhan yang ada di dunia ini merupakan autotrof. Mereka hanya air dan mineral yang bersumber dari dalam tanah serta karbondioksida yang berasal dari udara sebagai nutrient untuk menunjang kehidupannya. Selanjutnya nutrient-nutrient ini dirubah menjadi senyawa organik dengan bantuan sinar matahari. Oleh karena itu tumbuhan disebut juga sebagai fotoautotrof. Artinya tumbuhan mampu membuat makanannya sendiri atau menyintesis zat-zat organik dengan bantuan cahaya matahari. Organisme lain yang juga melakukan fotosintesis adalah alga multiseluler misalnya kelp, protista uniseluler misalnya Euglena sp, dan beberapa jenis prokariota yang dikenal sebagai sianobakteri serta prokariot fotosintesis lainnya contohnya yaitu bakteri sulfur ungu yang menghasilkan senyawa sulfur.

Pada awal sejarah fotosintesis, fotosintesis ini diperkiran awalnya terjadi pada kelompok bakteri yang memiliki membran yang terlipat ke dalam yang berisikan enzim-enzim yang diperlukan selama fotosintesis dan berfungsi mirip seperti organel fotosintesis, yaitu krolopas. Kroloplas ini merupakan organel fotosintesis yang ditemukan pada eukariota. Ahli biologi menduga bahwa kloroplas pertama meruapkan prokariota fotosintetik yang terdapat dalam eukariota.

Kloroplas

Seluruh bagian tumbuhan mengandung kloroplas, akan tetapi kloroplas ini terdapat paling banyak pada organ-organ yang mempunyai fungsi khusus untuk fotosintesis misalnya daun. Seperti kalian ketahui temans, daun meruapkan tempat fotosintesis utama bagi tumbuhan. Jika kalian menghitung pada selembar daun, maka akan kalian dapatkan, di sana akan ada setengah juta kloroplas per milimeter persegi permukaan daun. Nah, kenapa daun berwarna hijau? Jawabannya sederhana, karena daun mengandung klorofil. Klorofil, apa itu? klorofil adalah pigmen warna hijau yang terdapat di dalam kloroplas. Lalu kenapa ada daun yang berwarna merah, kuning, dan lain-lain? Jawabannya adalah karena adanya perbedaan jenis pigmen yang terdapat di dalam kloroplas. Berikut ini adalah jenis-jenis pigmen yang terdapat di kloroplas.

A. phycoeritrin = pigmen merah

B. phycosianin = pigmen biru

C. phycosantin = pigmen pirang

D. karoten = pigmen jingga

E. xantofil = pigmen kuning

Perlu kalian ketahui temans, energi cahaya diserap oleh klorofil dan digunakan untuk menggerakkan sintesis molekul organik yang ada di dalam kloroplas. Pada tumbuhan, klorofil paling banyak ditemukan pada jaringan mesofil, yaitu jaringan bagian dalam daun. Pada proses fotosintesis memerlukan senyawa karbon dioksida atau CO2 dan mengeluarkan Oksigen atau O2. Proses masuknya CO2 ke dalam tumbuhan dan keluarnya O2 dari tumbuhan ini melalui pintu yang disebut stomata. Air dan mineral juga diperlukan oleh tumbuhan. Air dan mineral ini diangkut ke daun melalui jaringan pembuluh atau vaskuler.

Temans, kloroplas pada tumbuhan memiliki bagian-bagian. Perhatikan uraian berikut ini.

1.       Stroma

Stroma adalah cairan kental yang terdapat di dalam kloroplas. Di stroma inilah tempat terjadinya reaksi gelap selam fotosintesis.

2.       Tilakoid

Tilakoid adalah susunan rumit yang terdiri dari kantong-kantong bermembram. Di membran tilakoid inilah tempat tersimpannya klorofil.

3.       Ruang tilakoid

Ruang tilakoid atau interior tilakoid adalah bagian dari kloroplas yang memisahkan stroma dari bagian lainnya. Di tilakoid inilah tempat terjadinya reaksi terang selama fotosintesis.

4.       Grana

Grana adalah tumpukan dari membran tilakoid. Di grana ini juga menjadi tempat terjadinya reaksi terang selama fotosintesis.

Perjalanan Atom Selama Fotosintesis

Berikut adalah persamaan kimia dalam fotosintesis.

6CO2 + 12H2O + energi cahaya à C6H12O6  + 6O2 + 6H2O

Produk dari fotosintesis adalah gula berkarbon tiga tapi selama ini gula hasil fotosintesis ini lebih dikenal sebagi glukosa.

Penguraian Air

Petunjuk utama pada proses fotosintesis adalah penemuan bahwa O2 sebenarnya berasal dari pemecahan H2O bukan berasal dari pemecahan CO2 seperti pada hipotesis yang mendominasi teori fotosintesis sebelum ditemukannya fakta terbaru. Kloroplas pada tumbuhan memiliki fungsi untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Perlu kalian ketahui temans, hipotesis yang mendominasi teori fotosintesis tadi mengatakan bahwa CO2 dipecah menjadi senyawa C + O2. Kemudian senyawa ini ditambahkan air ke dalam karbon C sehingga terbentuk molekul gula [ C + H2O à (CH2O)]. Hipotesis ini memprediksi bahwa molekuk O2 yang dilepaskan pada proses fotosintesis berasal dari pemecahan CO2. Hipotesis ini mendapatkan tantangan dari Van Niel pada sekitar tahun 1930-an. Van Niel ini temans, telah menyelidiki bakteri yang memproduksi gula dari senyawa CO2 tapi tidak melepaskan O2. Kemudian, setelah analisa dan pemikiran yang panjang, akhirnya Van Niel mengambil sebuah kesimpulan bahwa O2 yang dilepaskan selam fotosintesis bukan berasal dari CO2 karena CO2 tidak dipecah menjadi karbon dan oksigen. Salah satu kelompok bakteri yang tidak menggunakan air untuk fotosintesis adalah bakteri sulfur. Bakteri ini menggunakan hidrogen sulfida (H2S) untuk menggantikan air (H2O). Dan bakteri sulfur ini menghasilkan globulan sebagai zat buangannya. Berikut adalah persamaan proses fotosintesis pada bakteri sulfur.

CO2 + H2S à [CH2O] + H2O + 2S

 Berdasarkan persamaan fotosintesis bakteri sulfur di atas, Van Niel menyimpulkan bahwa bakteri sulfur menggunakan hidrogen yang dipecah dari H2S untuk membentuk gula. Lalu ia menyimpulkan lagi bahwa semua organisme yang melakukan fotosintesis memerlukan hidrogen dan hidrogen yang didapatkan oleh tumbuhan itu berasal dari sumber yang bervariasi.

Bakteri sulfur     : CO2 + 2H2S à [CH2O] + H2O + 2S

Tumbuhan          : CO2 + 2H2O à [CH2O] + H2O + 2O

Secara Umum    : CO2 + 2H2X à [CH2O] + H2O + 2X

Dengan demikian Van Niel menghipotesiskan bahwa tumbuhan memecah H2O sebagai sumber elektron dari atom-atom hidrogen dan melepaskan O2 sebagai produk sampingan.

Dua Tahap Fotosintesis

Seperti yang dijelaskan di awal, bahwa fotosintesis memilki persamaan. Tapi, temans, proses yang sebenarnya terjadi dalam fotosintesis itu tidak sesederhana itu. dalam fotosintesis sebenarnya terjadi dua tahapan, yaitu reaksi terang (light reaction, bagian foto dari fotosintesis) dan siklus calvin (calvin cycle, bagian dari sintesis dalam fotosintesis).

Reaksi terang merupakan reaksi di mana energi cahay dirubah menjadi energi kimia. Pada tahap ini juga air dipecah untuk menyediakan sumber elektron dan proton (ion hidrogen, H+) serta melepaskan oksigen sebgai produk sampingan fotosintesis. Cahaya yang diterima kloroplas digunakan untuk menggerakan transfer elektron dan ion hidrogen dari air mneuju penerima yang disebut NADP+ atau Nicotinamida Adenin Dinukleotida Phosfat). NADP+ merupakan tempat penyimpanan elektron-elektron dan ion-ion hidrogen secara sementara. Penerima elektron NADP+ berkerabat dekat dengan NAD+, yang berfungsi untuk membawa elektron dalam respirasi seluler. Perbedaan antara keduanya hanya terletak pada jumlah fosfat. Reaksi terang menggunakan energi cahaya yang digunakan untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH dengan cara menambahkan sepasang elektron bersama dengan penambahan H+. Reaksi terang ini berfungsi untuk menghasilkan ATP dengan menggunakan kemiosmosis untuk memberikan tenaga dalam menambahkan gugus fosfat ke dalam ADP, proses penambahan gugus fosfat ke dalam ADP ini disebut fotofosforilasi. Dengan demikian energi cahaya awalnya dirubah menjadi energi kimia dalam bentuk :

1.       NADPH

NADPH merupakan sumber elektron sebagai tenaga pereduksi yang dapat diteruskan ke molekul penerima elektron dan mereduksi molekul tersebut.

2.       ATP

Sumber energi serba bisa dalam sel atau sumber energi utama bagi sel.

Ingat temans, pada reaksi terang tidak menghasilkan gula. Pembentukan gula ini terjadi pada tahap siklus calvin.

Sikus clvin diawali dengan penggabungan molekul CO2 yang berada dalam udara dengan molekul organik yang sudah ada di dalam kloroplas. Penggabungan CO2 dengan molekul organik lainnya disebut dengan fiksasi karbon. Sikus calvin kemudian mereduksi karbon dan merubahnya menjadi gula melalui penambahan elektron. Tenaga pereduksi didapatkan tumbuhan dari NADPH yang mendapatkan elektronnya pada saat reaksi terang. Untuk merubah CO2 menjadi karbohidrat, pada siklus calvin juga membutuhkan energi berupa ATP yang juga dihasilkan pada saat rekasi terang. Dengan demikian, pembuatan karbohidrat terjadi pada siklus calvin dengan bantuan NADPH dan ATP yang diproduki pada saat reaksi terang. Siklus calvin biasanya diebut sebagai reaksi gelap, karena pada tahap-tahapnya tidak memerlukan energi cahaya secara langsung. Meskipun tidak bergantung pada cahaya, siklus calvin pada tumbuhan tetap terjadi pada siang hari. Kenapa? Karena pada siang hari terjadi reaksi terang yang menyediakan NADPH dan ATP yang digunakan oelh siklus calvin. Pada dasarnya kloropas dengan menggunakan energi cahaya membuat karbohidrat dengan mengoordinasi kedua tahap tersebut.

Dalam tilakoid NADP+ mengambil elektron sedangkan ADP mengambil fosfat. NADPH dan ATP kemudain dilepaskan di stroma, tempat kedua molekul tersebut untuk memainkan peranannya pada reaksi gelap.

Dapat kita ambil gambaran umum fotosintesis yaitu kerjasama reaksi terang dengan siklus calvin. Dalam kloroplas, membran tilakoid merupakan tempat terjadinya reaksi terang. Sedangkan siklus calvin terjadi di stroma. Reaksi terang menggunakan energi cahaya utuk membuat ATP (menyuplai energi kimia) dan NADPH (menyuplai tenaga pereduksi) lalu diteruskan ke dalam reaksi gelap. Pada reaksi gelap atau siklus calvin, terjadi penggabungan CO2 ke dalam molekul-molekul organik yang dirubah menjadi gula.