Tahapan Reaksi Terang Gelap Proses Fotosintesis Tumbuhan.

Pengertian Fotosintesis. Dengan adanya energi cahaya atau matahari tumbuhan hijau dapat membuat makanannya sendiri. Pembuatan makanan ini hanya terjadi pada bagian tumbuhan yang mengandung klorofil.

Pada tumbuhan tingkat tinggi seperti tumbuhan paku dan tumbuhan biji,  klorofil terdapat pada sel batang muda, buah yang belum matang, dan pada daun.
Organ- organ tumbuhan tersebut merupakan tempat terjadinya proses fotosintesis. Karena tumbuhan mampu membuat makanan sendiri, maka tumbuhan disebut sebagai organisme autotrof.

Fotosintesis merupakan proses penyusunan atau pembentuk senyawa organic karbohidrat dengan bantuan cahaya matahari. Komponen – komponen yang terlibat selama proses fotosintesis berlangsung adalah cahaya matahari, gas karbondioksida, molekul air, dan pigmen fotosintesis.

Fotosintesis terjadi pada sel yang mempunyai klorofil atau pigmen hijau. Klorofil terdapat pada kloroplas. Kloroplas merupakan organel utama dalam proses fotosintesis.

Bentuk kloroplas berlembar- lembar dan dibungkus oleh membran. Bagian di sebelah dalam membran dinamakan stroma, yang berisi enzim-enzim yang diperlukan untuk proses fotosintesis.

Di dalam kloroplas terdapat lembaran- lembaran datar yang saling berhubungan, disebut tilakoid. Beberapa tilakoid bergabung membentuk suatu tumpukan yang disebut grana.

Reaksi total yang terjadi selama proses fotosintesis adalah:

6 CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Reaksi Fotosintesis
Fotosintesis yang dilakukan oleh tumbuhan, berlangsung melalui dua tahap reaksi, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Gambar berikut dapat memberikan penjelasan yang lebih sederhana.

Reaksi Terang Gelap Fotosintesis, Siklus Calvin Benson
Reaksi Terang Gelap Fotosintesis, Siklus Calvin Benson

Reaksi Terang Pada Fotosintesis

Reaksi terang, yaitu reaksi fotosintesis yang memerlukan cahaya. Reaksi terang merupakan reaksi ketika energy matahari digunakan oleh pigmen fotosintesis dan terjadi di grana atau tumpukan tilakoid. Jadi reaksi ini bergantung pada cahaya matahari.

Pada reaksi ini terjadi pemecahan molekul- molekul air menjadi hidrogen, oksigen, dan sejumlah energi. Pada reaksi terang, terjadi  pengubahan energi cahaya matahari menjadi energi kimia.

Energi yang terbentuk kemudian disimpan dan dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk reaksi gelap.

Reaksi terang merupakan tahap awal serangkaian reaksi yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dalam bentuk ATP (Adenosin Tri Phosphat) dan NADPH (Nicotinamida Adenin Dinucleotid Phosphat).

Jadi Reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH. Untuk menangkap sinar matahari (foton), tumbuhan menggunakan seperangkat alat yaitu fotosistem. Fotosistem merupakan molekul protein yang tertanam pada membrane tilakoid.

Ada dua macam fotosistem yaitu fotosistem I dan fotosistem II.

Fotosistem I.

Di  dalam fotosistem I terdapat molekul klorofil yang terletak pada pusat reaksi dari fotosistem I dan dinamakan P700. Disebut dengan P700 karena sangat baik dalam menyerap energy cahaya matahari dengan panjang gelombang 700 nanometer.

Fotosistem II

Di dalam fotosistem II terdapat molekul klorofil yang terletak pada pusat reaksi fotosistem II dan dinamakan P680. Disebut P680 karena sangat baik dalam menyerap energy cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer.

Tehapan Reaksi Terang

  • Penangkapan cahaya matahari oleh fotosistem. Ketika sinar foton mengenai fotosistem, salah satu elektronnya tereksitasi keluar. Dan ketika electron kembali pada kedudukan semula, electron tersebut mangeluarkan energy.
  • Setelah fotosistem menyerap energy matahari, energy ini digunakan untuk fotolisis yaitu memecah molekul air.
  • Air akan pecah menjadi ion hydrogen (2H+), gas oksigen (O2) dan electron (e).
  • Ion hydrogen 2H+ ditangkap NADP+ menjadi NADPH.
  • Gas Oksigen O2 dilepas ke udara
  • Elektron bebas yang terbentuk akan mengalami pemindahan atau transfer electron melalui fosforilasi siklik dan fosforilasi nonsiklik

Foton dari Cahaya matahari yang mengenai fososistem akan menyebabkan elektron tereksitasi dan keluar dari fotosistem.

Elektron yang dihasilkan ini akan keluar dan masuk ke sistem transfer elektron. Reaksi transfer elektron ini dapat dibedakan menjadi reaksi nonsiklik dan reaksi siklik

Jalur Reaksi Transfer Elektron Siklik

Pada jalur transfer electron siklik hanya dihasilkan ATP. Electron bergerak berputar dalam siklus dari fotosistem I ke system transfer electron dan kembali ke fotosistem I.

Gambar berikut dapat menjelaskan perputaran electron dalam siklus dan pembentukan energi ATP dengan lebih sederhana. Istilah Tranfer electron terkadang disebut juga transport electron.  Istilah system kadang diganti dengan istilah rantai. Yang sebenarnya digunakan untuk pengertian yang sama.

Rantai Transpor Elektron Siklik Reaksi Terang Fotosintesis
Rantai Transpor Elektron Siklik Reaksi Terang Fotosintesis

Jalur elektron siklik dimulai setelah kompleks pigmen fotosistem I menyerap energi matahari. Energi foton menyebabkan electron tereksitasi. Electron tereksitasi memiliki energi yang tinggi

Pada jalur ini, elektron berenergi tinggi (e) meninggalkan pusat reaksi fotosistem I, tetapi akhirnya elektron itu kembali lagi.

Elektron berenergi (e) meninggalkan fotosistem I (dari pusat reaksi klorofil a) dan ditangkap oleh akseptor elektron kemudian meneruskannya ke system transfer elektron dan akhirnya kembali ke fotosistem I.  Electron yang kembali ini akan segera menggantikan electron yang tereksitasi akibat foton sinar matahari.

Pada sistem transferr elektron, pembawa electron (electron carrier) mengalirkan atau memindahkan elektron dari satu pembawa electron ke pembawa electron berikutnya, yaitu dari Feredoksin (Fd), Plastoquinon (Pq), Komplek Sitokrom (Cty), dan terakhir ke  Plastosianin (Pc).

Ketika bergerak dalam system transfer electron tersebut, electron akan melepaskan energi yang kemudian energi akan digunakan untuk pembentukan ATP.

ATP terbentuk karena adanya penambahan gugus fosfat P pada senyawa ADP ( Adenosin Di Phosphat) seperti reaksi berikut.

ADP + P –>ATP

Pembentukan ATP yang terjadi melalui rute transfer electron siklis disebut dengan Fotofosforilasi Siklis. Fotosistem I ini umumnya ditemukan pada bakteri dan mikroorganisme autotrof lainnya.

Jalur Reaksi Transfer Elektron Nonsiklik

Pada jalur transfer electron nonsiklik dihasilkan ATP dan NADPH. Electron yang tereksitasi bergerak dari fotosistem II ke system transfer electron kemudian ke fotosistem I lalu ke sistem transfer electron baru dan berakhir pada reaksi pembentukan NADPH. Disini electron tidak kembali ke fotosistem II.

Gambar berikut menjelaskan pergerakan electron dalam jalur nonsiklus yang disertai pembentukan energi ATP dn NADPH dengan cara yang lebih sederhana.

Rantai Transpor Elektron Nonsiklik Reaksi Terang Fotosintesis
Rantai Transpor Elektron Nonsiklik Reaksi Terang Fotosintesis

Reaksi ini dimulai ketika kompleks pigmen fotosistem II (P 680) menyerap energi cahaya dan menyebabkan terksitasinya electron. Electron yang dihasikan memiliki energi yang tinggi. Kemudian elektron berenergi tinggi ini meninggalkan molekul pusat reaksi (klorofil a) sehingga Fotosistem II kehilangan electron.

Selanjutnya, Fotosistem II mengambil elektron dari hasil penguraian air (fotolisis) melalui reaksi berikut.

H2O –> 2H+ + 2e + 1/2 O2

Sedangkan Oksigen hasil fotolisis dilepas oleh kloroplas sebagai gas oksigen meninggalkan sel. Sementara itu, ion hidrogen (H+) untuk sementara waktu tinggal di ruang tilakoid.

Elektron- elektron berenergi tinggi meninggalkan fotosistem II dan ditangkap oleh akseptor elektron dan kemudian dikirim ke sistem transfer elektron. Pada system transfer electron, electron ini dibawa oleh pembawa electron plastoquinone (pq), Komplek sitokrom (Cty ), dan plastosianin (pc).

Selama proses transfer electron tersebut, electron melepaskan energi yang kemudian ditangkap oleh ADP menjadi ATP. Selanjutnya elektron mencapai fotosistem I.

Pada reaksi ini, elektron yang dilepas fotosistem II tidak kembali lagi ke fotosistem II. Pembentukan ATP dari reaksi nonsiklik ini disebut juga Fotofosforilasi Nonsiklik.

Ketika fotosistem I menyerap energi cahaya, elektron- elektron berenergi tinggi meninggalkan pusat reaksi (klorofil a) dan ditangkap oleh akseptor elektron. Elektron yang terlepas dari fotosistem I segera digantikan oleh elektron dari fotosistem II.

System transfer electron memindah elektron- elektron ini melalui pembawa electron Feredoksin (Fd). Selanjutnya Electron ditransfer ke NADP+. Tahap berikutnya NADP+ mengikat ion H+ membentuk NADPH2, seperti reaksi berikut.

NADP+ + 2e + 2H+ –> NADPH + H+

Electron tersebut digunakan untuk mereduksi NADP+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate) menjadi NADPH.

Dengan demikian jalur elektron nonsiklis menghasilkan ATP, dan NADPH. Energi ATP  dan NAPDH yang dihasilkan dalam elektron nonsiklik akan digunakan dalam reaksi tahap kedua proses sintesis karbohidrat yaitu pada tahap reaksi gelap.

Catatan: Ion ion hydrogen H+ yang berada dalam kompartemen tilakoid bergerak melalui bagian interior ATP sintase. Gerakan aliran ini disebabkan oleh adanya gradien kosentarasi dari ion hydrogen tersebut.

Aliran ion H+ menyebabkan ATP sintase mengikatkan gugus fosfat P ke ADP sehingga terbentuk ATP.

Reaksi Gelap Pada Fotosintesis.

Reaksi gelap disebut juga reaksi Siklus Calvin Benson. Reaksi gelap adalah reaksi yang tidak tergantung atau memerlukan cahaya secara langsung. Dalam reaksi gelap berlangsung serangkaian reaksi pembentukan gula dengan menggunakan gas karbondioksida CO2 dan hidrogen dari air.

Reaksi ini berlangsung dengan bantuan ATP dan NADPH yang dihasilkan dari reaksi terang. Hasil dari reaksi gelap adalah molekul karbon berenergi tinggi seperti glukosa, fruktosa, dan amilum.

Siklus Calvin Benson

Proses pembentukan glokosa dari CO2 melalui Siklus Calvin berlangsung dalam tiga tahap, yaitu tahap fiksasi, tahap reduksi, dan tahap regenerasi.

Gambar berikut menjelaskan reaksi reaksi yang terjadi pada pembentukan Glukosa melalui siklus Calvin- Benson dengan cara yang lebih sederhana.

Reaksi Pembentukan Glukosa Melalui Siklus Calvin Benson Fotosintesis
Reaksi Pembentukan Glukosa Melalui Siklus Calvin Benson Fotosintesis

Tahapan Reaksi Gelap.

  • Tahap Fiksasi Karbondioksida.

Gas CO2 dari lingkungan akan berdifusi ke dalam daun dan akan difiksasi (bergabung untuk bereaksi) oleh RuBP (ribulose Biphosphat), suatu molekul yang mengandung atom 5-C hingga terbentuk molekul fosfogliserat (PGA = 3-fosfogliserat atau 3-phosphoglycerate). PGA ini memiliki tiga karbon.

Penambatan enam CO2 oleh enam RuBP akan menghasilkan dua belas PGA. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim ribulose bifosfat karboksilase (Rubisco). Adapun Reaksinya adalah sebagai berikut:

6 CO2 +6  RuBP –> 12 PGA

  • Tahap Reduksi PGA

Pada tahap ini, tiap molekul PGA menerima gugus fosfat dari ATP serta ion hydrogen H+ dan electron dari NADPH. ATP yang digunakan pada reaksi ini adalah ATP dari reaksi terang.

Reaksi reduksi PGA oleh NADPH ini akan membentuk dua belas PGAL (glyceraldehyde-3-phosphat atau glukosa 3-fosfat, G3P).

Dua PGAL diantaranya bergabung dan membentuk satu molekul glukosa enam karbon. Kemudian Glukosa masuk ke reaksi untuk membentuk karbohidrat lain seperti sukrosa dan kanji.

  • Tahap Regenerasi

Tahap regenerasi adalah tahap pembentukan kembali RuBP. Sepuluh PGAL yang tersisa dari tahap reduksi akan menerima gugus fosfat dari ATP dan membentuk RuBP.

Dengan terbentuknya RuBP, maka reaksi penambatan CO2 dapat berlangsung lagi, sehingga siklus Calvin berjalan kembali.

Contoh Soal Ujian Reaksi Terang dan Gelap Fotosintesis

Soal 1. Di antara pernyataan di bawah ini yang benar adalah ….
a. fotosintesis merupakan proses pemecahan air
b. fotosintesis memerlukan karbohidrat dan air
c. fotosintesis dapat berlangsung tanpa adanya klorofil
d. fotosintesis membentuk

Soal 2. Pernyataan di bawah ini yang tidak berhubungan dengan reaksi gelap, yaitu ….
a. reaksi fotosintesis yang tidak memerlukan cahaya
b. reaksi yang disebut juga dengan siklus Calvin
c. reaksi fotosintesis yang memerlukan cahaya
d. serangkaian reaksi pembentukan gula dengan menggunakan CO2 dan hidrogen dari air

Soal 3. Faktor dari dalam tubuh tumbuhan yang mempengaruhi laju fotosintesis, yaitu ….
a. ketersediaan air
b. cahaya
c. suhu
d. umur daun

Daftar Pustaka:

  1. Starr, Cecie. Taggart, Ralph. Evers, Christine. Starr, Lisa, 2012, “Biologi Kesatuan dan Keragaman Makhluk Hidup”, Edisi 12, Buku 1, Penerbit Salemba Teknika, Jakarta.
  2. Ardra.Biz, 2019, “Kata dalam artikel. Contoh Soal Ujian Fotosintesis Pada Tumbuhan dengan Pengertian Fotosintesis. Pengertian Fotosistem atau Pengertian Reaksi Terang dan Gelap.
  3. Arumingtyas, Laras, Estri. Widyarti, Sri. Rahayu, Sri, 2011, “Biologi Molekular, Prinsip Dasar Analisis”, PT Penerbit Erlangga Jakarta.
  4. Kimballl, J.W., Siti Soetarmi Tjitro dan Nawangsari Sugiri,1983, “Biologi”, Jilid 1, Edisi Kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  5. Ardra.Biz, 2019, “Tahapan siklus reaksi terang secara singkat. Pengertian Fotosistem I dan II dengan  Contoh Reaksi terang dan gelap Fotosintesis.  
  6. Kimballl, J.W., Siti Soetarmi Tjitro dan Nawangsari Sugiri. 1983, “Biologi”, Jilid 2, Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta.
  7. Schlegel, H.G., 1994, “Mikrobiologi Umum”, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
  8. Hartanto, L.N., 2004, “Biologi Dasar”, Edisi Ketiga, Penerbit Penebar Swadaya, Yogyakarta.
  9. Ardra.Biz, 2019, “Kata dalam artikel. Contoh Soal Ujian Fotosintesis Pada Tumbuhan dengan Pengertian Fotosintesis. Pengertian Fotosistem atau Pengertian Reaksi Terang dan Gelap.
  10. Ardra.biz, 2019, “Pengertian Tahap Regenerasi Pada Fotosintesis dengan Tahap Reduksi PGA. Tahapan Reaksi Terang dan Gelap pada Proses Fotosintesis Tumbuhan.
  11. Ardra.Biz, 2019, “Tahapan siklus reaksi terang secara singkat. Pengertian Fotosistem I dan II dengan  Contoh Reaksi terang dan gelap Fotosintesis.  Tahap Fiksasi Karbondioksida dengan  tempat terjadinya reaksi gelap terang fotosintesis.
  12. Ardra.Biz, 2019, “Jalur Reaksi Transfer Elektron Siklik Fotosintesis, Produk Transpor Elektron Siklik, Gambar Sistem Rantai Transfer Elektron Siklik, Pengertian Fungsi Fotosistem, Beda Fotosistem I dan II, Fungsi Energi Foton Fotosintesis, Fungsi Akseptor Elektron, Fungsi Rantai Transpor Elektron,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Jenis Pembawa Elektron Fotosintesis, Electron Carrier Feredoksin (Fd), Electron Carrier Plastoquinon (Pq), Electron Carrier Komplek Sitokrom (Cty), Electron Carrier Plastosianin (Pc), Fungsi Electron Carrier Fotosintesis, Fungsi Gugus Fosfat Fotosintesis, Pengertian Fotofosforilasi Siklis, Contoh Tumbuhan dangan Fotosistem I,
  14. Ardra.Biz, 2019, “Jalur Reaksi Transfer Elektron Nonsiklik, Produk dari system transfer electron nonsiklik, Fungsi air pada reaksi nonsiklik, Fungsi NADPH, Gambar Rantai Transpor Elektron Nonsiklik, Fungsi Pusat Reaksi Fotosistem, Pengertian P680 dan P700, Pengertian fotolisis,
  15. Ardra.Biz, 2019, “reaksi fotolisis fotosintesis, Reaksi Pembentukan ATP adenosin trifosfat, Tempat reaksi fotosintesis, fungsi tilakoid, fungsi grana, Fungsi ADP pada rantai transfer electron, Pengertian Fotofosforilasi Nonsiklik,
  16. Ardra.Biz, 2019, “Fungsi pembawa electron Feredoksin (Fd), Reaksi reduksi pembentukan NADPH, Fungsi ATP sintase pada fotosintesis,
  17. Ardra.Biz, 2019, “Gambar Siklus Calvin, Reaksi Siklus Calvin, Fungsi Enzim ribulose bifosfat karboksilase (Rubisco), Reaksi Tahap Fiksasi Karbon Dioksida, Tahap Reduksi Siklus Calvin, Fungsi NADPH pada siklus Calvin, Reaksi reduksi Siklus Calvin, Reaksi Tahap Regenerasi Siklus Calvin,