MAGNESIUM, MANGAN DAN OKSIGEN DALAM FOTOSINTESIS

BAB I

PENDAHULUAN

1.      LATAR BELAKANG

Fotosintesis berasal dari kata foton yang berarti cahaya, dan sintesis yang berarti menyusun. Jadi fotosintesis dapat diartikan sebagai suatu penyusunan senyawa kimia kompleks yang memerlukan energi cahaya. Sumber energi cahaya alami adalah matahari. Proses ini dapat berlangsung karena adanya suatu pigmen tertentu dengan bahan CO₂ dan H₂O. Cahaya matahari terdiri atas beberapa spektrum, masing-masing spektrum mempunyai panjang gelombang berbeda, sehingga pengaruhnya terhadap proses fotosintesis juga berbeda (Salisbury, 1995).

Fotosintesis merupakan suatu proses biologi yang kompleks, proses ini menggunakan energi dan cahaya matahari yang dapat dimanfaatkan oleh klorofil yang terdapat dalam kloroplas. Seperti halnya mitokondria, kloroplas mempunyai membran luar dan membran dalam. Membran dalam mengelilingi suatu stroma yang mengandung enzim-enzim tang larut dalam struktur membran yang disebut tilakoid. Proses fotosintesis dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain air (H₂O), konsentrasi CO₂, suhu, umur daun, translokasi karbohidrat, dan cahaya. Tetapi yang menjadi faktor utama fotosintesis agar dapat berlangsung adalah cahaya, air, dan karbondioksida (Kimball, 1992).

Berbeda dengan organisme heterotrof, organisme autotrof menggunakan energi yang berasal dari oksidasi dan zat-zat organik tertentu. Organisme yang demikian disebut kemoautotrof, karena menggunakan zat – zat kimiawi dalam memproduksi senyawa organik dari senyawa non-organik. Sedangkan peristiwa fotosintesis sendiri dilakukan oleh organisme autotrof yang seringkali disebut dengan organisme fotoautotrof, karena dalam proses pembentukan senyawa organiknya menggunakan energi yang berasal dari cahaya matahari (Kimball, 1992).

Fotosintesis sering didefinisikan sebagai suatu proses pembentukan karbohidrat dan karbondioksida serta air yang dilakukan sel-sel yang berklorofil dengan adanya cahaya matahari yang disebabkan oleh oksigen (O₂). Ada juga yang mengartikan fotosintesis dengan suatu peristiwa pengolahan atau pemasakan makanan yang terjadi pada daun dengan bantuan cahaya matahari (Kimball, 1992).

Setiap proses pertumbuhan memerlukan energi. Tanaman mendapatkan energinya dari matahari melalui proses fotosintesis, yang merupakan proses penyerapan cahaya oleh pigmen hijau (klorofil) dalam daun. Energi cahaya, air dan CO₂ menghasilkan O₂ dan gula sederhana. Tanaman kemudian memanfaatkan gula sederhana ini untuk mensintesa gula yang lebih kompleks serta karbohidrat untuk disimpan sebagai energi yang dapat digunakan kembali jika dibutuhkan untuk mensintesa selulosa dan hemiselulosa pada dinding sel, atau menggabungkannya dengan nitrogen untuk mensintesa protein. Bagaimana tanaman memanfaatkan energi ini bergantung pada stadia pertumbuhan tanaman dan kondisi lingkungan (Rayburn, 1993).

Magnesium adalah logam yang paling ringan yang dapat digunakan untuk konstruksi. Rapat massanya hanyalah dua per tiga rapat massa aluminium. Magnesium murni tidak didapatkan di alam, namun terkandung sebagai senyawa dalam mineral. Sebagai contoh magnesium dalam bentuk senyawa karbonat terdapat dalam mineral magnesit dan dolomit (MgCO₃.CaCO₃). Air laut mengandung 0,13 % magnesium, dan merupakan sumber magnesium yang tidak terbatas.

Magnesium memegang peranan amat penting dalam proses kehidupan hewan dan tumbuhan. Magnesium terdapat di dalam klorofil, yaitu yang digunakan oleh tumbuhan hijau untuk fotosintesis. Magnesium juga mengambil peranan dalam replikasi DNA dan RNA yang mempunyai peranan amat penting dalam proses keturunan semua organisme. Di samping itu magnesium mengaktifkan berbagai enzim yang mempercepat reaksi kimia dalam tubuh manusia.

Mangan (Mn) diserap oleh akar sebagai ion Mn2+. Mangan dapat membantu proses pembentukan klorofil dan enzim pada pernapasan. Kekurangan mangan menyebabkan klorosis pada tulang daun.

Banyak reaksi biologis yang diketahui melibatkan ion logam. Terdapat juga berbagai logam yang dikenal sebagai unsur-unsur esensial, walaupun perannya dalam organisme hidup masih belum jelas. Setiap makhluk hidup memerlukan senyawa koordinasi, seperti transport oksigen dari paru-paru ke sel-sel tubuh dilakukan oleh hemoglobin yang merupakan senyawa koordinasi. Tanpa adanya hemoglobin, sel-sel tubuh tidak mungkin melakukan proses metabolisme. Senyawa koordinasi juga merupakan komponen penting dari kebutuhan hidup sehari-hari, mulai dari bahan pencuci, tinta, cat, sampai obat-obatan. Kehidupan tidak mungkin dapat berlangsung tanpa adanya senyawa koordinasi.

2.      RUMUSAN MASALAH

a.       Apa yang dimaksud tentang fotosintesis?

b.      Bagaimana sejarah penemu fotosintesis?

c.       Bagaimana proses reaksi terang dan reaksi gelap?

d.      Bagaimana fotosintesis yang terjadi pada tumbuhan?

3.      TUJUAN

1.      Untuk menjelaskan pengertian fotosintesis.

2.      Untuk menjelaskan sejarah penemu fotosintesis.

3.      Untuk menjelaskan proses reaksi terang dan reaksi gelap.

4.      Untuk menjelaskan fotosintesis yang terjadi pada tumbuahan.

BAB II

PEMBAHASAN

1.      FOTOSINTESIS

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 karbon dioksida. 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 pemanfaatan energi matahari yang dilakukan oleh tumbuhan hijau untuk mengubah bahan kimia anorganik menjadi bahan makanan. Cahaya matahari yang digunakan dalam proses fetosintesis adalah spektrum cahaya tampak, dari ungu sampai merah.

Selama proses fotosintesis dihasilkan karbohidrat dan oksigen. Volume oksigen sebagai hasil proses fotosintesis dapat diukur. Oleh sebab itu, untuk mengetahui tingkat produksi fotosintesis dapat dilakukan dengan mengukur volume oksigen yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan.

Fotosintesis merupakan proses penyimpanan energi sinar matahari oleh tumbuhan, alga, dan bakteri fotosintetik. Ketiga kelompok organisme tersebut mampu melakukan fotosintesis karena memiliki senyawa klorofil dalam selnya.

2.      ZAT HIJAU DAUN (KLOROFIL)

Daun merupakan salah satu organ penting yang berperan dalam proses fotosintesis. Proses fotosintesis tidak dapat berlangsung manakala tidak adanya zat hijau daun dalam proses perombakan CO₂ dan H₂O menjadi asimilat (Anonim, 2011).

Warna hijau pada daun ini berasal dari pigment warna daun yang disebut chlorophyll. Namun, di daerah beriklim sedang, daun beberapa jenis tanaman kerap berubah warna pada musim gugur. Pada beberapa jenis tanaman hias misalnya, warna hijau daun berubah menjadi kuning sedang pada jenis tanaman lainnya daun tanaman berubah warna menjadi orange atau merah.

Umumnya sejumlah tanaman yang daunnya berubah warna ini juga akan diikuti dengan kerontokkan daun di musim gugur. Tanaman jenis ini sering disebut dengan tanaman deciduous. Pada tanaman lainnya -semisal pohon pinus- daun tanaman tidak berubah warna dan tidak menggugurkan daunnya pada musim gugur. Tanaman jenis ini disebut dengan tanaman evergreens (Anonim, 2011).

Di dalam sel tumbuhan terdapat bintik-bintik pigment pembawa zat warna yang disebut dengan chromatophore. Selain mengandung chlorophyll, sel daun juga terdiri dari beberapa jenis pigment lainnya. Pigmen ini umumnya menyebabkan perubahan warna daun tanaman pada musim gugur. Sejumlah pigmen penyusun warna daun diantaranya xanthophylls (memberi pigmen warna kuning), carotenes (penyusun pigmen warna kuning orange), serta anthocyanins (penyusun warna merah dan violet). Selain  itu, daun juga mengandung tannins yang memberikan warna kuning keemasan (Anonim, 2011).

Seperti halnya chlorophyll, xanthophylls, carotenes dan juga anthocyanins tidaklah tersusun dari butiran halus yang ada di permukaan daun melainkan terlarut dalam cairan sel daun. Pada beberapa tanaman, -seperti coleus (tanaman yang daunnya berwarna-warni) dan kubis merah- anthocyanins selalu muncul memberikan warna merah ke unguan. Sedang untuk beberapa tanaman lainnya, anthocyanins tidak selalu terbentuk dan melewati siklus hidup daun tetapi anthocyanins hanya dihasilkan pada kondisi tertentu. Pada daun pohon oak dan maple misalnya, gula terakumulasi pada musim gugur. Akumulasi ini diyakini sebagai hasil dari pembentukan anthocyanins dan produksi warna cerah pada daun.

Bagaimana Perubahan Warna Daun Bisa Terjadi?

*Pengaruh Cuaca

Di daerah beriklim sedang, kondisi udara yang hangat (15-20 ^oC) di siang hari saat musim gugur sangat mendukung bagi tanaman untuk melakukan aktifitas fotosintesis secara optimal. Timbunan gula asimilat yang dihasilkan pada siang hari tidak semuanya dapat ditransport ke jaringan tanaman pada malam harinya karena dinginnya cuaca di malam hari menyebabkan jaringan floem (jaringan pendukung transportasi asimilat) menutup secara perlahan sehingga timbunan gula di dalam jaringan daun meningkat sehingga memacu pula pembentukan anthocyanins.

* Lama Panjang penyinaran

Setiap hari tanaman menggunakan klorofil dalam proses fotosintesis secara berkesinambungan dengan memanfaatkan energy matahari. Klorofil ini diproduksi dan diuraikan secara terus menerus dalam proses teresebut. Ketika panjang hari penyinaran menyusut dan malam hari bertambah panjang di musim gugur, produksi klorofil melambat sebagai konsekuensi dari menyusutnya reaksi terang dalam proses fotosintesis tersebut. Dengan berkurangnya produksi klorofil ini sejumlah pigment daun lainnya seperti xanthophylls, carotenes dan juga anthocyanins mulai terbentuk sehingga merubah warna daun yang sebelumnya berwarna hijau menjadi berwarna-warni (Anonim, 2011).

Tumbuhan dapat melakukan proses fotosintesis karena memiliki zat hijau daun, yang disebut klorofil. Zat tersebut merupakan zat yang mempengaruhi warna hijau pada daun. Bagaimanakah dengan daun yang berwarna merah, apakah pada daun tersebut proses fotosintesis tetap berlangsung?

Ternyata daun yang berwarna merah juga melakukan proses fotosintesis. Warna merah pada daun dipengaruhi oleh pigmen antosianin (zat berwarna merah). Semua daun mengandung klorofil yang bermanfaat dalam proses fotosintesis (Anonim, 2011).

Klorofil (zat hijau daun) memiliki peran penting dalam proses fotosintesis. Beberapa tumbuhan memiliki daun yang berwarna merah. Bagaimana cara tumbuhan yang berdaun merah melakukan fotosintesis? Apa tumbuhan yang berdaun merah juga mempunyai klorofil?

Sebelum membahas lebih lanjut, sebaiknya mengetahui jenis pigmen pada tumbuhan berikut ini (Anonim, 2011):

chlorophyll      : hijau

caroten                        : merah/kuning

fikoerithrin      : merah

fikosianin        : biru

xantofil            : kuning

fikosantin        : pirang

Tumbuhan dapat melakukan fotosintesis karena adanya oragnela sel yang disebut plastida. Jenis plastida bermacam-macam tergantung warna yang dominan, kebanyakan tumbuhan bewarna hijau yang disebut kloroplas. Sehingga orang menganggap tumbuhan dapat melakukan fotosintesis karena memiliki kloroplas. Namun, terdapat tumbuhan yang daunnya bewarna tidak hijau, misalnya puring. Pada daun puring juga memiliki pigmen hijau, namun pigmen warna yang lain lebih dominan. Di dalam daun puring juga terdapat plastida, sehingga dapat melakukan proses fotosintesis (Anonim, 2011).

Klorofil adalah pigmen hijau fotosintetis yang terdapat dalam tanaman, Algae dan Cynobacteria. nama "chlorophyll" berasal dari bahasa Yunani kuno : choloros = green (hijau), and phyllon = leaf (daun). Fungsi krolofil pada tanaman adalah menyerap energi dari sinar matahari untuk digunakan dalam proses fotosintetis yaitu suatu proses biokimia dimana tanaman mensintesis karbohidrat (gula menjadi pati), dari gas karbon dioksida dan air dengan bantuan sinar matahari (Subandi, 2008).

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).

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).

Fotosintesis pada tumbuhan tinggi memerlukan berbagai bahan dasar, antara lain sebagai berikut:

1.      CO₂ (karbondioksida)

Karbondioksida merupakan sumber karbon utama dalam proses fotosintesis. Karbondioksida ini merupakan senyawa sisa metabolisme, yaitu respirasi seluler yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup.

2.      H₂O (air)

Air merupakan sumber elektron dari proses fotosintesis. Elektron ini diperoleh dari proses penguraian molekul air oleh energi cahaya. Proses penguraian tersebut dinamakan fotolisis, yang nantinya akan dihasilkan ion hidrogen (H⁺) dan molekul oksigen.

Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas dari CO₂ diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.

Fotosintesis dipengaruhi oleh beberapa faktor penyebab, yaitu :

1.      Cahaya

Cahaya merupakan sumber energi untuk fotosintesis. Intensitas cahaya yang tinggi akan membuat kegiatan fotosintesis menjadi efektif.

2.      Tahap Pertumbuhan

Pada saat masih kecambah, tumbuhan lebih rajin fotosintesis daripada yang sudah besar karena yang sedang tumbuh butuh banyak energi untuk tumbuh membesar.

3.      Pigmen penyerapan cahaya

Klorofil merupakan pigmen penyerapan cahaya. Untuk membuat klorofil, diperlukan ion magnesium yang diserap dari tanah.

4.      Suhu / Temperatur

Mempengaruhi enzim untuk fotosintesis. Jika suhu naik 10 °C, kerja enzim meningkat 2x lipat. (tapi hanya pada suhu tertentu, jika suhu terlalu tinggi, justru bisa merusak).

5.      Kadar Hasil Fotosintesis (Fotosintat)

Apabila kadar hasil bentukan fotosintesis sedikit maka tumbuhan akan terangsang untuk melakukan fotosintesis lebih giat daripada ketika kadar fotosintat yang banyak.

6.      Ketersediaan CO₂ dan air (H₂O)

Jika kekurangan air, stomata menutup sehingga menghalangi masuknya CO₂. Semakin banyak gas karbon dioksida maka proses fotosintesis akan menjadi semakin baik.

3.      SEJARAH PENEMUAN FOTOSINTESIS

Sejarah Penemuan Fotosintesis Dalam sejarah, beberapa ahli telah melakukan penelitian yang berkaitan dengan fotosintesis, antara lain Engelmann, Hill, Ingenhousz,  Sachs, dan Blackman.

1.      Ingenhousz

Pada tahun 1770, Joseph Priestley seorang ahli kimia Inggris memperlihatkan bahwa tumbuhan mengeluarkan suatu gas yang dibutuhkan dalam pembakaran. Dia mendemonstrasikan hal ini dengan cara membakar lilin dalam suatu wadah tertutup sampai api mati. Lalu ia menyimpan setangkai tumbuhan mint dalam ruang tertutup itu dan dapat mempertahankan nyala api sampai beberapa hari. Meskipun Priestley tidak tahu jenis gas apa yang dikeluarkan tumbuhan, tetapi apa yang dilakukannya memperlihatkan bahwa tumbuhan menghasilkan oksigen ke udara. Pada tahun 1799, seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Jan Ingenhousz berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan oksigen (O₂). la melakukan percobaan dengan tumbuhan air Hydrilla verticillata di bawah corong kaca bening terbalik yang dimasukkan ke dalam gelas kimia berisi air. Jika Hydrilla verticillata terkena cahaya matahari, maka akan timbul gelembung-gelembung gas yang akhirnya mengumpul di dasar tabung reaksi. Ternyata gas tersebut adalah oksigen. Beliau juga membuktikan bahwa cahaya berperan penting dalam proses fotosintesis dan hanya tumbuhan hijau yang dapat melepaskan oksigen.

2.      Engelmann

Pada tahun 1822 Engelmann berhasil membuktikan bahwa klorofil merupakan faktor yang harus ada dalam proses fotosintesis. la melakukan percobaan dengan ganggang hijau Spirogyra yang kloroplasnya berbentuk pita melingkar seperti spiral. Dalam percobaan tersebut ia mengamati bahwa hanya kloroplas yang terkena cahaya mataharilah yang mengeluarkan oksigen. Hal itu terbukti dari banyaknya bakteri aerob yang bergerombol di sekitar kloroplas yang terkena cahaya matahari.

3.      Sachs

Pada tahun 1860, seorang ahli botani Jerman bernama Julius von Sachs berhasil membuktikan bahwa proses fotosintesis menghasilkan amilum (zat tepung). Adanya zat tepung ini dapat dibuktikan dengan uji yodium, sehingga percobaan Sachs ini juga disebut uji yodium.

4.      Hill

Theodore de Smussure, seorang ahli kimia dan fisiologi tumbuhan dari Swiss menunjukkan bahwa air diperlukan dalam proses fotosintesis. Temuan ini diteliti lebih lanjut sehingga pada tahun 1937 seorang dokter berkebangsaan Inggris bernama Robin Hill berhasil membuktikan bahwa cahaya matahari diperlukan untuk memecah air (H₂O) menjadi hidrogen (H) dan oksigen (O₂). Pemecahan ini disebut fotolisis.

5.      Blackman

Pada tahun 1905 Blackman membuktikan bahwa perubahan karbon dioksida (CO₂) menjadi glukosa (C₆H₁₂O₆) berlangsung tanpa bantuan cahaya matahari. Peristiwa ini sering disebut sebagai reduksi karbon dioksida. Dengan demikian dalam fotosintesis ada dua macam reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Yang merupakan reaksi terang (reaksi Hill) adalah fotolisis, yang merupakan reaksi gelap (reaksi Blackman) adalah reduksi karbon dioksida. Gabungan antara reaksi terang dan reaksi gelap itulah yang kita kenal sekarang sebagai reaksi fotosintesis. Pada tahun 1940 Melvin Calvin dan timnya berhasil menemukan urutan reaksi/proses yang berlangsung pada reaksi gelap. Rangkaian reaksi itu selalu berulang terus menerus dan disebut siklus Calvin.

Seorang fisiologis berkebangsaan Inggris, F. F. Blackman, mengadakan percobaan dengan melakukan penyinaran secara terus-menerus pada tumbuhan Elodea. Ternyata, ada saat dimana laju fotosintesis tidak meningkat sejalan dengan meningkatnya penyinaran. Akhirnya, Blackman menarik kesimpulan bahwa paling tidak ada dua proses berlainan yang terlibat:

1.      Suatu reaksi yang memerlukan cahaya

2.      Reaksi yang tidak memerlukan cahaya

Yang terakhir dinamai reaksi gelap, walau dapat berlangsung terus saat keadaan terang. Blackman berteori bahwa pada intensitas cahaya sedang, reaksi terang membatasi atau melajukan seluruh proses. Dengan kata lain, pada intensitas ini reaksi gelap mampu menangani semua substansi intermediat yang dihasilkan reaksi cahaya. Akan tetapi, dengan meningkatnya intensitas cahaya pada akhirnya akan tercapai suatu titik dimana reaksi gelap berlangsung pada kapasitas maksimum.

Teori ini diperkuat dengan mengulangi percobaan pada temperatur yang agak lebih tinggi. Seperti diketahui, kebanyakan reaksi kimia berjalan lebih cepat pada suhu lebih tinggi (sampai suhu tertentu). Pada suhu 35 °C, laju fotosintesis tidak menurun sampai ada intensitas cahaya yang lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa reaksi gelap kini berjalan lebih cepat. Faktor bahwa pada intensitas cahaya yang rendah laju fotosintesis itu tidak lebih besar pada 35 °C dibandingkan pada 20 °C juga menunjang gagasan bahwa yang menjadi pembatas pada proses ini adalah reaksi terang. Reaksi terang ini tidak tergantung pada suhu, tetapi hanya tergantung pada intensitas penyinaran. Laju fotosintesis yang meningkat dengan naiknya suhu tidak terjadi jika suplai CO₂ terbatas. Jadi, konsentrasi CO₂ harus ditambahkan sebagai faktor ketiga yang mengatur laju fotosintesis itu berlangsung.

4.      FOTOSINTESIS PADA TUMBUHAN

Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya mampu menangkap energi matahari untuk menyintesis molekul-molekul organik kaya energi dari prekursor anorganik H₂O dan CO₂. Sementara itu, hewan dan manusia tergolong heterotrof, yaitu memerlukan suplai senyawa-senyawa organik dari lingkungan (tumbuhan) karena hewan dan manusia tidak dapat menyintesis karbohidrat. Karena itu, hewan dan manusia sangat bergantung pada organisme autotrof. 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:

6 CO₂  +  6 H₂O                                             C₆H₁₂O₆   +   6 O₂

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.

Pembentukan glukosa dan oksigen dengan reaksi antara karbon dioksida  dan air adalah reaksi yang menggunakan fotoenergi dan peran kunci khlorofil sangat menentukan. Khlorofil (Gambar 8.3) adalah suatu magnesium  porfirin dan kompleks kluster mangan. Suatu khloroplas mengandung fotosistem I (PSI) dan fotosistem II (PSII) yang menggunakan energi cahaya untuk mereduksi karbondioksida dan mengoksidasi air.

Khlorofil adalah komponen fundamental PSI. Khlorofil adalah kompleks porfirin magnesium dan bertanggung jawab atas warna hijau daun. Khlorofil memainkan peran yang penting dalam menerima energi cahaya dan mentransfernya menjadi sistem reaksi redoks.  Khlorofil dieksitasi dari keadaan dasar singlet ke keadaan eksitasi singlet dengan cahaya, energi keadaan tereksitasinya ditransfer ke suatu akseptor dalam waktu 10 ps, dan energi hasilnya mereduksi kompleks besi-belerang dan akhirnya digunakan untuk mereduksi karbondioksida dalam reaksi gelap di tahap selanjutnya.  Karena pemisahan muatan oleh eksitasi fotokimia adalah tahap pertama yang paling penting, studi tentang transfer elektron yang diinduksi oelh cahaya telah dilakukan dengan aktif dengan berbagai senyawa porfirin sebagai model  khlorofil. PSI, yang mendapatkan energi pengoksidasi dari transfer elektron, mengubah ADP menjadi ATP.

Gambar 8.3 Klorofil a.

            Di pihak lain, bentuk teroksidasi PSII mengoksidasi air melalui rantai reaksi redoks kompleks kluster okso dari mangan, dan menghasilkan oksigen. Karena empat elektron berpindah dalam reduksi Mn (IV) menjadi Mn (II) dalam reaksi ini, paling tidak ada dua spesi mangan yang terlibat.

            Kemungkinan besar, kompleks kluster yang mengandung dua Mn (II) dan dua Mn (IV) memediasi transfer elektron melalui empat tahap reaksi. Namun, detail reaksi ini belum jelas sebab sangat sukar untuk mengisolasi kluster ini dan untuk menganalisis strukturnya.  Tahap transfer elektron sedang dipelajari saat ini dengan berbagai kompleks mangan sebagai sistem model.

            Fotosintesis adalah tema riset yang sangat menarik dalam bioanorganik karena melibatkan beberapa ion logam, porfirin, kluster oksida dan sulfida yang menyusun siklus transfer elektron dan reaksi redoks, dan menghasilkan gas oksigen dengan fotolisis air dan menghasilkan karbohidrat dari reaksi gelap reduktif. Baru-baru ini, pusat reaksi bakteri fotosintetik telah dikristalisasi dan J. Deisenhofer dan koleganya mendapatkan hadiah Nobel karena berhasil menyelesaikan strukturnya dengan analisis struktural (1988).

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.

Klorofil dapat dibedakan menjadi klorofil a dan klorofil b. Klorofil a merupakan pigmen hijau rumput (grass green pigment) yang mampu menyerap cahaya merah dan biru-keunguan. Klorofil a ini sangat berperan dalam reaksi gelap fotosintesis sedangkan Klorofil b merupakan pigmen hijau kebiruan yang mampu menyerap cahaya biru dan merah kejinggaan. Klorofil b banyak terdapat pada tumbuhan, ganggang hijau, dan beberapa bakteri autotrof.

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. Mesofil daun tanaman, yaitu sel-sel jaringan tiang (palisade) dan sel-sel jaringan bunga karang (spons). 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.

5.      PROSES FOTOSINTESIS

Hingga sekarang fotosintesis masih terus dipelajari karena masih ada sejumlah tahap yang belum bisa dijelaskan, meskipun sudah sangat banyak yang diketahui tentang proses vital ini. Proses fotosintesis sangat kompleks karena melibatkan semua cabang ilmu pengetahuan alam utama, seperti fisika, kimia, maupun biologi sendiri.

Pada tumbuhan, organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun. Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk melangsungkan reaksi ini. Di organel inilah tempat berlangsungnya fotosintesis, tepatnya pada bagian stroma. Hasil fotosintesis (disebut fotosintat) biasanya dikirim ke jaringan-jaringan terdekat terlebih dahulu.

Pada dasarnya, proses reaksi fotosintesis dapat dibagi menjadi dua bagian utama: Reaksi Terang (karena memerlukan cahaya) dan Reaksi Gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida).

1.      Reaksi Terang (Reaksi Hill)

Tahapan reaksi terang merupakan tahap dimana terjadi proses penguraian air, sehingga dihasilkan ion hidrogen dan molekul oksigen. Setelah itu, proses pemindahan elektron oleh rantai sitokrom akan memicu terbentuknya molekul ATP dan NADPH. Dua molekul ini merupakan molekul kimiawi yang mengandung energi dari sinar matahari.

Magnesium sangat diperlukan dalam tubuh terutama terlibat dalam lebih 300 reaksi metabolik esensial. Hal tersebut diperlukan untuk metabolisme energi. magnesium tidak bersifat genotoxic, tetapi lebih banyak diperlukan untuk menjaga stabilitas genomic. Telah diketahui kestabilan genomic mempengaruhi struktur DNA dan kromatin. Berhubungan dengan hal tersebut, magnesium merupakan kofaktor penting dalam seluruh sistem enzimatik yang terlibat dalam proses pembentukan DNA.

Magnesium diatur oleh adenosin triphosphat (ATP) pada sintesis protein di dalam mitokondria. ATP merupakan molekul yang menyedikan energi hampir pada seluruh proses metabolik terutama sebagai kompleks dengan magnesium (MgATP). Magnesium mengatur sejumlah tahapan selama sintesis asam nukleat (DNA dan RNA) dan protein).

Semua reaksi di mana ATP merupakan substrat, substrat sebenarnya adalah Mg²⁺-ATP. Hal yang sama, Mg²⁺ dikhelasi di antara fosfat beta dan gama dan mengurangi sifat kepadatan anionik ATP, sehingga Mg²⁺ dapat mencapai daan mengikat secara reversibel tempat protein spesifik.

Reaksi terang terjadi pada grana. Di dalam reaksi terang, tumbuhan menangkap air dan CO₂ kemudian mengolahnya menggunakan sumber energi cahaya matahari yang ditangkap oleh klorofil. Selanjutnya, gula dan air tersebut dengan bantuan sinar matahari diubah menjadi gula (glukosa), O₂, dan uap air. O₂ dan uap air dikeluarkan dari dalam tubuh tumbuhan, sedangkan gula dijadikan bahan makanan tumbuhan tersebut.

Secara garis besar, proses berlangsungnya fotosintesis dapat diuraikan sebagai berikut :

1.      Cahaya mencapai sel-sel daun yang mengandung klorofil.

2.      Klorofil menyerap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia.

3.      Udara yang mengandung karbon dioksida masuk ke dalam daun daun melalui stomata. Selanjutnya, karbon dioksida tersebut menyebar di antara sel-sel daun.

4.      Akar menyerap air yang dibutuhkan tanaman untuk proses fotosintesis. Air tersebut mengalir dari akar menuju batang kemudian ke daun.

5.      Molekul air dipecah oleh energi cahaya menjadi oksigen dan hidrogen. Molekul hidrogen bergabung dengan molekul CO₂ membentuk glukosa.

6.      Hasil fotosintesis berupa glukosa dan oksigen.

2.      Reaksi Gelap (Siklus Calvin-Benson)

Proses reaksi gelap merupakan kelanjutan dari reaksi terang. Meskipun dinamakan dengan reaksi gelap, tidak berarti bahwa reaksi ini harus berlangsung pada kondisi gelap atau tanpa sinar matahari. Penamaan reaksi gelap lebih mengacu pada bahan dasarnya yang terdiri dari ATP dan NADPH tanpa perlu adanya bantuan sinar matahari.

ATP dan NADPH yang dihasilkan dalam proses fotosintesis memicu berbagai proses biokimia. Pada tumbuhan proses biokimia yang terpicu adalah siklus Calvin yang mengikat karbon dioksida untuk membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti glukosa). Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya).

Reaksi gelap merupakan siklus yang selalu berulang. Siklus ini pertama kali didefinisikan oleh Calvin dan Benson, sehingga sering dinamakan juga dengan siklus Calvin-Benson.

Gambar. Siklus Calvin-Benson

Siklus Calvin terdiri dari tiga tahapan utama, yaitu karboksilasi, reduksi, dan regenerasi.

1.      Karboksilasi

Karboksilasi merupakan reaksi pengikatan CO₂ oleh RuBP (Ribulosa biposfat). Hasil dari reaksi pengikatan CO₂ oleh RuBP adalah 3-posfogliserat.

2.      Reduksi dan produksi gula

Asam 3-Posfogliserat direduksi menjadi Gliseraldehid 3-posfat yang memerlukan ATP dan NADPH + H⁺ (ion hidrogen). Proses kelanjutan dari reaksi ini akan menghasilkan gula, dan akan dimodifikasi menjadi produk fotosintesis berupa glukosa.

3.      Regenerasi

Hasil lain dari reduksi akan menuju jalur regenerasi. Jalur ini merupakan jalur untuk memproduksi RuMP (Ribulosa monoposfat) dan diubah menjadi RuBP.

Reaksi gelap (siklus Calvin) terjadi di dalam stroma (rongga daun). Pada siklus Calvin, H₂ yang terlepas dari molekul air (H₂O) akan diikat oleh NADP dan terbentuklah NADPH₂, sedang O₂ tetap dalam keadaan bebas. Pada reaksi gelap terjadi seri reaksi siklik (berulang) yang membentuk gula dari CO₂ dan energi (ATP dan NADPH). Reaksi ini tidak membutuhkan cahaya. Energi yang digunakan dalam siklus Calvin diperoleh dari reaksi terang. Ketika berlangsung reaksi gelap terjadi proses respirasi seluler. Glukosa yang diperoleh pada reaksi terang digunakan oleh tanaman untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa yang merupakan komponen utama tubuh tumbuhan dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Respirasi pada tumbuhan berlangsung pada malam hari. Tumbuhan

Berespirasi dan mengeluarkan CO₂, uap air, dan energi. Oleh karena itu, pada malam hari udara di bawah tumbuhan terutama yang berdaun banyak akan terasa pengap, sedikit lembab dan gerah. Karbon dioksida bersifat menyerap kalor dari sekeliling sehingga menyebabkan udara menjadi gerah. Udara lembab yang dirasa adalah karena uap air yang dikeluarkan.

Dalam sistem fotosintesis II terjadi proses oksidasi dari H₂O menjadi O₂ dimana Mn state sebagai indikasi terbentuknya dioksida tersebut. Mangan merupakan unsur mikro yang dibutuhkan tanaman dalam jumlah yang tidak terlalu banyak. Mangan sangat berperan dalam sintesa klorofil selain itu berperan sebagai koenzim, sebagai aktivator beberapa enzim respirasi, dalam reaksi metabolisme nitrogen dan fotosintesis. Peranan mangan dalam fotosintesis berkaitan dengan pelepasan elektron dari air dalam pemecahannya menjadi hidrogen dan oksigen.

6.      Fungsi Mangan (Mn) Bagi Tumbuhan

            Berbagai bentuk mangan dijumpai dalam tanah, tetapi yang paling banyak diserap dalam bentuk ion mangan. Seperti halnya besi, definisi mangan dapat terjadi pada tanah alkali, karena berubah ke dalam bentuk yang sukar diambil. Mangan terlibat luas dalam proses katalitik pada tumbuhan, sebagai aktivator beberapa enzim respirasi, dalam reaksi metabolisme nitrogen dan fotosintesis. Mangan diperlukan untuk mengaktifkan nitrat reduktase, sehingga tumbuhan yang mengalami kekurangan Mn, memerlukan sumber N dalam bentuk NH₄⁺.

            Peran mangan dalam fotosintesis adalah dalam urutan reaksi yang berkaitan dengan pelepasan elektron dari ion dalam pemecahannya menjadi hidrogen dan oksigen. Gejala difisiensi mangan memperlihatkan bentuk nekrotik pada daun. Mobilitas mangan adalah kompleks dan tergantung pada spesies dan umur tumbuhan, sehingga awal gejalanya dapat terlihat pada daun muda atau daun yang lebih tua.

7.      Mekanisme Penyerapan Mangan

Seperti disebutkan sebelumnya, mangan diserap oleh tanaman sebagai ion Mn₂ bebas dari larutan tanah. Mangan mudah menyatu kompleks dengan ligan organik tanaman dan mikroba sintetis. Namun, kompleks yang terbentuk dengan mikroba sintetis umumnya dianggap lebih lambat diserap oleh akar dari kation bebas. Penyerapan mangan oleh akar dicirikan oleh serapan bifase. Tahap awal dan cepat serapan adalah reversibel dan nonmetabolik, dengan Mn₂ dan Ca₂ dipertukarkan secara bebas. Pada tahap awal, mangan muncul untuk teradsorpsi oleh konstituen dinding sel-sel akar ruang apoplastic. Tahap kedua adalah lambat; mangan kurang siap ditukar, dan serapan yang tergantung pada metabolisme. Mangan diserap ke symplast selama fase ini lebih lambat namun, ketergantungan persentase penyerapan mangan pada metabolisme tidak jelas.

Serapan dari mangan tidak muncul untuk dikontrol ketat, tidak seperti nutrisi utama ion. Percobaan kinetik telah memperkirakan penyerapan mangan berada di tingkat 100 sampai 1000 kali lebih besar dari kebutuhan tanaman. Hal ini mungkin karena kapasitas yang tinggi dan saluran pembawa ion dalam transportasi ion mangan melalui membran plasma dengan kecepatan beberapa ratus hingga beberapa juta ion per detik per molekul protein.

8.      Fungsi Magnesium (Mg) Bagi Tumbuhan

Magnesium diperlukan tumbuhan dalam jumlah cukup besar. Magnesium memiliki beberapa peran penting dalam tumbuhan, diantaranya dalam stabilisasi partikel-partikel ribosom. Magnesium terlihat dalam sejumlah reaksi enzimatik dengan kapasitas yang bervariasi.

Pertama dalam reaksi yang menyangkut pemindahan fosfat dari ATP, magnesium bertndak sebagai penghubung enzim terhadap substratnya. Kedua magnesium berfungsi dalam mengubah konstantan keseimbangan reaksi dengan cara berikatan dengan produk, misal pada reaksi-reaksi kinase tertentu. Ketiga, bekerja membentuk kompleks dengan suatu inhibitor enzim. Gejala defisiensi magnesium sangat karakteristik.

            Terjadinya klorosis diantara tulang daun, dapat timbul warna cerah dari pigmen merah, jingga, kuning, atau merah ungu, dan pada defisiensi yang parah timbul daerah atau bintik nekrosis. Karena magnesium sangat mudah larut dan mudah diangkut ke seluruh tubuh, gejala defisiensi biasanya timbul pertama kali pada daun dewasa.

9.      Fungsi Oksigen dalam Fotosintesis

Di alam, oksigen bebas dihasilkan dari fotolisis air selama fotosintesis oksigenik. Ganggang hijau dan sianobakteri di lingkungan lautan menghasilkan sekitar 70% oksigen bebas yang dihasilkan di bumi, sedangkan sisanya dihasilkan oleh tumbuhan daratan.

Persamaan kimia yang sederhana untuk fotosintesis adalah:

6CO₂ + 6H₂O + foton → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Evolusi oksigen fotolitik terjadi di membran tilakoid organisme dan memerlukan energi empat foton. Terdapat banyak langkah proses yang terlibat, namun hasilnya merupakan pembentukan gradien proton di seluruh permukaan tilakod. Ini digunakan untuk mensintesis ATP via fotofosforilasi. O₂ yang dihasilkan sebagai produk sampingan kemudian dilepaskan ke atmosfer.

Dioksigen molekuler, O₂, sangatlah penting untuk respirasi sel organisme aerob. Oksigen digunakan di mitokondria untuk membantu menghasilkan adenosina trifosfat (ATP) selama fosforilasi oksidatif. Reaksi respirasi aerob ini secara garis besar merupakan kebalikan dari fotosintesis, secara sederhana:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 2880 kJ·mol^-1

Pada vertebrata, O₂ berdifusi melalui membran paru-paru dan dibawa oleh sel darah merah. Hemoglobin mengikat O₂, mengubah warnanya dari merah kebiruan menjadi merah cerah. Terdapat pula hewan lainnya yang menggunakan hemosianin (hewan moluska dan beberapa artropoda) ataupun hemeritrin (laba-laba dan lobster). Satu liter darah dapat melarutkan 200 cc O₂.

Spesi oksigen yang reaktif, misalnya ion superoksida (O₂⁻) dan hidrogen peroksida (H₂O₂), adalah produk sampingan penggunaan oksigen dalam tubuh organisme. Namun, bagian sistem kekebalan organisme tingkat tinggi pula menghasilkan peroksida, superoksida, dan oksigen singlet untuk menghancurkan mikroba. Spesi oksigen reaktif juga memainkan peran yang penting pada respon hipersensitif tumbuhan melawan serangan patogen.

Dalam keadaan istirahat, manusia dewasa menghirup 1,8 sampai 2,4 gram oksigen per menit. Jumlah ini setara dengan 6 miliar ton oksigen yang dihirup oleh seluruh manusia per tahun.

BAB III

KESIMPULAN

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 karbon dioksida. Jadi, seluruh molekul organik lainnya dari tanaman disintesa dari energi dan adanya organisme hidup lainnya tergantung pada kemampuan tumbuhan atau bakteri fotosintetik untuk berfotosintesis.

Sejarah Penemuan Fotosintesis Dalam sejarah, beberapa ahli telah melakukan penelitian yang berkaitan dengan fotosintesis, antara lain Engelmann, Hill, Ingenhousz,  Sachs, dan Blackman.

Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Magnesium merupakan ion komplek dari senyawa klorifil tersebut, selain itu Magnesium diatur oleh adenosin triphosphat (ATP) pada sintesis protein di dalam mitokondria. ATP merupakan molekul yang menyedikan energi hampir pada seluruh proses metabolik terutama sebagai kompleks dengan magnesium (MgATP). Peranan mangan dalam fotosintesis berkaitan dengan pelepasan elektron dari air dalam pemecahannya menjadi hidrogen dan oksigen.

DAFTAR PUSTAKA

Devlin, Robert M. 1975. Plant Physiology Third Edition. New York : D. Van Nostrand.

http://id.wikipedia.org/wiki/Fotosintesis. Diakses tanggal 7 Oktober 2011.

http://rudiyanto.net/plant-biotechnology/indahnya-warna-warni-dedaunan/. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://books.google.co.id/books?id=zat+hijau+daun+terdapat+pada+daun+berwarna+merah/. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://id.answers.yahoo.com/question/index?qid=20110226152229AAe3tNX. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://zonabawah.blogspot.com/2011/04/fungsi-mineral-dan-gejala-defisiensinya 9342.html. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://zonabawah.blogspot.com/2011/04/fungsi-mineral-dan-gejala-defisiensinya 16.html. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://budakponti-fahlevi.blogspot.com/2010/07/unsur-hara-mangan-terjemahan-handbook.html. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-anorganik-universitas/reaksi-dan-sifat-sifat-fisik/bioanorganik/. Diakses tanggal 22 Oktober 2011.

Irwansyah. 2010. Kimia Koordinasi dalam Sistem Biologi. Http://kimia-koordinasi-dalam-sistem-biologi.htm. Diakses tanggal 7 Oktober 2011.

Kimball, John. W. 1992. Biologi Umum. Erlangga, Jakarta.

Mulyono. 2005. Kamus Kimia. Jakarta: Bumi Aksara.

Poejiadi, A. 2006. Dasar-Dasar Biokimia. Jakarta: UI Press.

Rayburn, E.B. 1993. Plant Growth and Development as the Basis of Forage Management. http://www.caf.wfu.edu/~forage/growth.htm. Diakses tanggal 7 Oktober 2011.

Saito, Taro. 2010. Bioanorganik . http://dobnium.chem-is-try.com. Diakses tanggal 7 Oktober 2011.

Salisbury, J.W. dan Ross. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid 2. Bandung: ITB.

Salisbury, J.W. dan Ross. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid I. Bandung: ITB.

Santoso. 2004. Fisiologi Tumbuhan. Bengkulu: Universitas Muhammadiyah Bengkulu.

Subandi, Aan. 2008. Metabolisme. http://metabolisme.blogspot.com/2007/09.  Diakses pada tanggal 8 Oktober 2011