Fotosintesis berasal dari bahasa Yunani, foto yang berarti cahaya, dan synthesis yang berarti pembuatan. Jadi fotosintesis adalah suatu proses pembuatan makanan oleh tumbuhan dengan menggunakan cahaya matahari, air dan karbon dioksida. Fotosintesis terbagi dua, yaitu fotosintesis reaksi terang dan fotosintesis reaksi gelap.

Proses fotosintesis tidak dapat berlangsung pada setiap sel, tetapi hanya pada sel yang

mengandung pigmen fotosintetik. Sel yang tidak mempunyai pigmen fotosintetik ini tidak

mampu melakukan proses fotosintesis. Pada percobaan Jan Ingenhousz, dapat diketahui

bahwa intensitas cahaya memengaruhi laju fotosintesis pada tumbuhan. Hal ini dapat terjadi

karena perbedaan energi yang dihasilkan oleh setiap spektrum cahaya. Di samping adanya

perbedaan energi tersebut, faktor lain yang menjadi pembeda adalah kemampuan daun dalam

menyerap berbagai spektrum cahaya yang berbeda tersebut. Perbedaan kemampuan daun

dalam menyerap berbagai spektrum cahaya tersebut disebabkan adanya perbedaan jenis

pigmen yang terkandung padajaringan daun.

Di dalam daun terdapat mesofil yang terdiri atas jaringan bunga karang dan jaringan

pagar.  Pada kedua jaringan ini, terdapatkloroplas yang mengandung pigmen

hijau klorofil. Pigmen ini merupakan salah satu dari pigmen fotosintesis yang berperan

penting dalam menyerap energi matahari.

A. Fotosintesis Reaksi TerangReaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2.

Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya matahari. a. Prinsip penyerapan cahaya oleh tumbuhan

Cahaya memilki sifat gelombang (wave nature) dan sifat partikel (particle nature). Cahaya mencakup bagian dari energi matahari dengan panjang gelombang antara 390 nm sampai 760 nm dan tergolong cahaya tampak. Kisaran ini merupakan porsi kecil dari kisaran spektrum elektromagnetik. Sifat cahaya sebagai partikel biasanya diekspresikan dengan pernyataan bahwa cahaya menerpa sebagai foton yang merupakan suatu paket diskrit dari energi, dimana masing-masing dikaitkan dengan panjang gelombang tertentu.

Prinsip penyerapan cahaya adalah bahwa setiap molekul hanya dapat menyerap satu foton pada waktu tertentu dan foton ini menyebabkan terjadinya eksitasi pada satu elektron dalam suatu molekul. Molekul-molekul pigmen yang menangkap foton akan berada pada kondisi tereksitasi. Energi eksitasi inilah yang dimanfaatkan untuk fotosintesis.

Klorofil dan pigmen-pigmen lainnya hanya dapat tereksitasi dalam waktu singkat, umumnya hanya selama 10-9 detik atau lebih singkat. Untuk terjadinya fotosintesis, energi dalam bentuk elektron yang tereksitasi pada berbagai pigmen harus disalurkan ke pigmen pengumpul energi yang disebut sebagai pusat reaksi. Ada 2 macam pusat reaksi pada membran thilakoid, keduanya merupakan molekul klorofil a yang berasosiasi dengan protein tertentu dan komponen-komponen membran lainnya. Proses ini berlangsung secara simultan sampai energi ditransfer ke pusat reaksi.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 1

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 thilakoid, setiap foton dapat mengeksitasi satu elektron dari pigmen karatenoid atau klorofil. Klorofil berwarna hijau merupakan bukti bahwa pigmen ini tidak efektif untuk menyerap cahay hiaju. Cahaya hijau oleh klorofil dipantulkan atau diteruskan.

Spektrum aksi yang agak berbeda walaupun foton cahaya biru ditangkap oleh pigmen sama efektifnya dengan foton cahaya lainnya, tetapi sebagian energi dari foton cahaya biru akan segera dibebaskan dalam bentuk energi panas sebelum bisa dimanfaatkan sebagai fotosintesis. Jadi cahaya biru kurang efisien untuk fotosintesis dibandingkan cahaya merah.

b. Efek penambahan EmersonEfek Emerson mengatakan bahwa jika cahaya dengan panjang gelombang

yang lebih pendek diberikan bersama dengan cahay merah, maka laju fotosintesis menjadi lebih tinggi dibandingkan masing-masing panjang gelombang diberikan secara sendiri-sendiri. Efek Emerson ini terjadi karena gelombang cahaya merah membantu gelombang cahaya pendek atau sebaliknya. Terdapat dua kelompok pigmen yang bekerja sama dalam fotosintesis dan gelombang cahaya merah hanya diserap oleh salah satu fotosistem, yakni fotosistem I (PS I). Fotosistem yang lainnya adalah fotosistem II (PS II) yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari 690 nm.

Arti penting untuk penemuan Emerson adalah bahwa untuk fotosintesis terdapat 2 fotosistem yang berbeda. PS I dan PS II menggunakan energi cahaya untuk mengoksidasi H2O dan secara bersama-sama menyediakan 2 elektron untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH.

PS II +cahaya , H 2O→12

O2+2 H +¿→¿ PS I +cahaya , NADP+ ¿

→¿ NADPH +

H+

c. Komposisi, fungsi dan posisi PS I dan PS IIPS I mengandung klorofil a, sedikit klorofil b dan beberapa beta karoten yang

menyatu dengan beberapa protein dengan ikatan non-kovalen. Satu dari klorofil a pada fotosistem itu menjadi spesial karena lingkungan kimianya sehingga dapat menyerap cahay dengan panjang gelombang ± 700 nm, selain gelombang yang lebih pendek. Oleh sebab itu disebut P700. P700 inilah yang merupakan pusat reaksi dari PS I dan semua pigmen-pigmen lainnya akan mengirim energi eksitasinya ke P700 ini.

Pada PS I juga dijumpai paling tidak 2 molekul protein yang mengandung Fe dan mirip dengan feredoksin. Setiap 4 atom Fe pada molekul protein ini mengikat 2 atom belerang, sehingga disebut sebagai protein Fe-S. Protein Fe-S berbeda dengan sitokrom dan molekul lainnya yang mengandung satu atom Fe yang terikat pada gugus heme (contoh hemoglobin). Protein Fe-S merupakan penerima elektron utama

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 2

pada PS I, berarti bahwa elektron mula-mula ditransfer dari P700 ke salah satu protein Fe-S ini. Hanya satu dari 4 atom Fe tersebut yang akan mampu menerima elektron. Karena penerimaan elektron ini, Fe3+ direduksi menjadi Fe2+, tetapi dapat teroksidasi kembali dalam lintasan pengangkutan elektron.

PS II juga mengandung klorofil a dan beta-karoten (terikat pada 2 protein utama) serta sedikit klorofil b. Pusat reaksinya dibut P680, yang merupakan satu molekul klorofil a dengan lingkungan kimia yang berbeda dengan P700 dan klorofil a alinnya. Pada PS II juga terdapat penerima elektron utama yang diyakini merupakan klorofil a yang tidak berwarna dan tidak mengandung atom Mg. Molekul ini disebut feofitin, disingkat Pheo.

PS II juga mengandung quonine yang erat asosiasinya dengan Pheo, P680, dan protein yang terikat pada P680. Quonine secara historis diberi simbol Q, karena kemampuannya untuk melenyapkan cahaya fluoresen dari P680 dengan cara menerima elektron yang telah tereksitasi. Pada PS II juga terkandung satu atau lebih protein yang mengandung mangan dan disebut sebagai protein-Mn. Diperkirakan 4 ion Mn2+ diikat oleh satu atau lebih protein pada PS II dan satu ion Cl- menjembatani 2 ion Mn2+ tersebut. Jika ini benar, maka Mn2+ dan Cl- berperan penting untuk fotosintesis. Dalam proses pengangkutan elektron, Mn2+ akan teroksidasi menjadi Mn3+ dan kemudian direduksi kembali. Proses oksidasi dan reduksi Mn ini berlangsung berulang-ulang. Protein Mn merupakan komponen bagian dalam membran thilakoid dan dekat dengan saluran protein, serta mungkin terlibat langsung dalam tahap awal oksidasi H2O.

Selain kedua fotosistem diatas, dengan teknik elektroforesis 2 kompleks penangkap cahaya (light harvesting complex) dapat pula diisolasi dari khloroplas. Kompleks ini mengandung klorofil a dan b serta xanthofil, tetapi sangat sedikit mengandung beta-karoten. Semua pigmen ini terikat pada protein. Satu kompleks penangkap cahaya akan berperan mengirim energi ke PS II. Energi yang diserap oleh pigmen-pigmen dalam kompleks ini akan ditransfer dan pada akhirnya akan mencapai P700 dan P680.

Tiap granum (tumpukan membran thilakoid) mengandung sekitar 200 unit PS I dan 200 unit PS II. Jumlah yang terkandung pada membran thilakoid stroma beragam tergantung pada panjang dan luas permukaannya. Perbandingan antara PS I dan PS II tergantung pada spesies dan kondisi pertumbuhan tanaman. Beberapa spesies (misalnya tumbuhan C4) memiliki sedikit grana dan juga lebih sedikit PS II dibanding PS I, sebaliknya spesies yang biasa tumbuh di bawah naungan banyak mengandung grana, lebih banyak lapisan membran thilakoid per grana, dan lebih banyak PS II dibanding PS I. PS I lebih dominan pada membran thilakoid stroma, sedangkan PS II lebih dominan pada grana).

Perbedaan lokasi PS I dan PS II ini menimbulkan pertanyaan sehubungan dengan kerja sama antara kedua fotosistem ini dalam mentransfer elektron dari H2O ke NADP+. Kedua fotosistem ini haruslah tidak berjauhan sehingga proses transfer tersebut dapat berlangsung secara efektif. Dua pembawa elektron yang mobile diperkirakan akan berperan membawa elektron dari PS II ke PS I. Salah satu pembawa elektron tersebut adalah molekul protein kecil yang mengandung Cu, yang

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 3

disebut plastosianin, disingkat PC. Plastosianin terikat tidak kuat pada bagian dalam membran thilakoid dekat saluran protein. Bila tembaga yang terkandung tereduksi dari Cu2+ menjadi Cu+ oleh PS II, PC dapat bergerak menelusuri membran membawa elektron ke PS I dan pada PS I ini Cu+ dioksidasi kembali menjadi Cu2+. Kemudian PC kembali ke PS II untuk mengambil elektron berikutnya. Pembawa elektron lainnya merupakan kumpulan quinone yang disebut plastoquinon (disingkat PQ). PQ dapat bergerak secara lateral maupun vertikal dalam membran. PQ membawa 2 elektron dan 2 ion H+ dari PS II ke PS I.

Aksi kerjasama antara kedua fotosistem membutuhkan lebih banyak komponen pengangkut elektron. Kompleks protein lain yang tidak mengandung klorofil atau karotenoid telah berhasil diisolasi dari membran thilakoid. Kompleks protein ini mengandung 2 sitokhrom (satunya disebut sitokhrom b6 dan yang lainnya disebut sitokhrom f) dan satu protein Fe-S. Besi pada protein FeS dapat mengikat atau melepas satu elektron selama proses oksidasi-reduksi. Kompleks ini secara fisik berada antara PS I dan PS II dan penting peranannya dalam pengangkutan elektron antara kedua fotosistem ini. Satu lagi sitokhrom, yakni sitokhrom b3, bersama protein Fe-S (ferredoksin) diyakini berperan dalam fotosintesis, tetapi peran sitokhrom b3 ini belum jelas, tetapi peran ferredoksin telah diketahui. Ferredoksin berperan membawa elektron dari protein Fe-S lainnya pada PS I menuju NADP+, melengkapi proses pengangkutan elektron secara keseluruhan.

Komponen akhir membran thilakoid yang dibutuhkan untuk fotofosforilasi adalah kompleks protein yang disebut ATPase atau kompleks faktor pengganda (coupling factor, yang disingkat CF).

Kompleks ini dapat menghidrolisis ATP menjadi ADP dan P-anorganik (P) dan sebaliknya juga berperan dalam mensintesis ATP dari ADP dan P

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 4

melalui proses fotofosforilasi. Sintesis ATP (fotofosforilasi) dipacu oleh pengangkutan elektron yang dirangsang oleh cahaya, demikian pula sebaliknya, pengangkutan elektron dipacu oleh fotofosforilasi. CF berperan menggabungkan kedua proses timbal balik ini. Kompleks CF terdiri dari bagian "kepala" yang melekat pada sisi luar stroma dari membran thilakoid dan bagian "tangkai" yang menembus lapisan ganda lipida sampai pada sisi saluran (sebelah dalam) dari membran thilakoid tersebut.

d. Pengangkutan elektron dari air ke NADP+ Gambar 1 memperlihatkan model tentatif yang sederhana dari hubungan antara

komponen-komponen membran thilakoid yang berperan dalam pengangkutan elektron dari molekul air ke NADP+ dan untuk fosforilasi. Pada model ini, PS II, sitokhrom b6, protein Fe-S, kompleks sitokhrom f, dan PS I digambarkan sebagai lingkaran untuk mencerminkan struktur protein globular. Kompleks penyerapan cahaya mengelilingi dan mengirim energi eksitasi untuk kedua fotosistem. Kompleks sitokhrom dan protein Fe-S berada di antara PS I dan PS II dan dapat dipisahkan agak jauh (misalnya dari grana ke stroma), tetapi molekul PQ dan PC yang bersifat mobil akan membawa elektron dari PS II ke PS I.

Dengan mengikuti arah garis tebal pada Gambar 1 dapat ditelusuri lintasan pengangkutan elektron dari HO ke NADP+. Lintasan ini disebut Lintasan Pengangkutan Elektron nonsiklik, karena elektron yang berasal dari molekul H20 yang telah sampai ke NADP+ tidak dapat kembali lagi ke molekul H2O asalnya. Pembentukan ATP sebagai akibat pengangkutan elektron ini disebut fotofosforilasi nonsiklik. Secara keseluruhan, proses pengangkutan elektron ini membutuhkan cahaya, karena secara termodinamik air sulit untuk dioksidasi dan NADP+ juga sulit direduksi.

Bila foton diserap oleh pigmen pada kompleks penyerapan cahaya yang berasosiasi dengan PS II (disingkat LHC II), energi tersebut akan ditransfer ke P680 dengan cara resonansi induktif. Akibatnya elektron pada P680 akan tereksitasi sedemikian rupa sehingga dapat ditangkap oleh Pheo. Kehilangan elektron mengakibatkan P680 bermuatan positif dan mampu menarik elektron dari protein-Mn tetangganya.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 5

GAMBAR 1. Model pengangkutan elektron yang dipacu oleh cahaya pada membran thilakoid khloroplas. Garis tebal menunjukkan lintasan non-siklik

pengangkutan elektron, dari H2O ke NADP ; sedangkan garis tipis menunjukkan lintasan siklik. Garis bergelombang menunjukkan transfer energi dari kouipleks penyerapan cahaya ke P680 atau P700. Garis putus-putus pada

CF menunjukkan pengangkutan H+ yang menyebabkan fotofosforilasi.

Jika protein-Mn ini telah teroksidasi (kehilangan satu elektronnya yang diambil oleh P680), maka protein ini akan mengambil sate elektron dari molekul H2O. Setiap molekul air hanya dapat melepaskan 2 elektron. Elektron yang dilepas molekul air ini berasal dari salah satu dari 2 elektron pada kedua ikatan kovalen antara atom H dan O. Jika molekul air dioksidasi (kehilangan 2 elektronnya tersebut), maka molekul air akan pecah menjadi 1/2 O, dan 2H+. Karena 2 elektron yang dibebaskan setiap 1 molekul air yang dipecah, maka proses ini membutuhkan 2 foton yang harus diserap oleh kompleks penyerapan cahaya dan diterima oleh P680.

Setiap elektron dari Q bergerak menuju PQ. Reduksi PQ menjadi PQH, membutuhkan 2 elektron dan 2 H+. H+ untuk reduksi PQ ini berasal dari sisi stroma membran thilakoid. Bila PQH, dioksidasi kembali menjadi PQ, maka 2 H+ akan dibebaskan dan yang paling penting adalah bahwa H+ hasil oksidasi PQH, ini dibebaskan ke sisi saluran membran thilakoid. Jadi proses oksidasi-reduksi PQ mengakibatkan pengangkutan H+ dari sisi stroma ke sisi saluran membran thilakoid. Ditambah dengan H+ dari basil oksidasi molekul air, maka pH larutan dalam saluran thilakoid menjadi rendah (Konsentrasi H+ tinggi). Hal ini penting karena pengangkutan kembali H+ dari sisi saluran ke sisi stroma mengikuti perbedaan konsentrasinya melalui CF akan menyediakan energi untuk sintesis ATP dari ADP dan Pi (fotofosforilasi).

Dua elektron yang dihasilkan dari oksidasi PQH, akan ditransfer satu per satu ke sitokhrom b6 atau ke protein Fe-S dan kemudian ke sitokhrom f dalam kompleks yang terletak antara PS II dan PS I. Setelah itu, elektron ditransfer ke PC, dan PC akan bergerak menyusuri tepi membran thilakoid menuju PS I di mana P700 akan menerima elektron tersebut. P700 tidak akan mampu untuk menerima elektron tersebut jika tidak terlebih dahulu kehilangan 1 elektronnya. Kehilangan 1 elektron pada P700 ini akan terjadi setelah P700 menyerap cahaya (atau lebih tepatnya menerima energi eksitasi dari kompleks penyerapan cahaya pada PS I yang disebut sebagai LHC I) dan 1 elektronnya akan tereksitasi dan dapat ditangkap oleh Fe3+ dari protein Fe-S.

Dari protein Fe-S, elektron selanjutnya ditransfer ke molekul ferredoksin (Fd) dan Fe3+ pada molekul Fd akan tereduksi menjadi Fe2+. Fd kemudian mereduksi NADP+ dengan jalan menyediakan 2 elektron secara konsekutif. Reduksi ini di dalam stroma dipacu oleh enzim ferredoksin: NADP+ reduktase.

NADP+ + 2 Fd (Fe2+) + H+ → NADPH + 2 Fd(Fe3+)

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 6

Dapat disimpulkan dari, model pada Gambar 1 bahwa transfer 1 elektron dari H2O ke NADP+ membutuhkan 2 foton, karena eksitasi kedua fotosistem adalah esensial dalam proses transfer elektron ini. Tampaknya hal ini menjelaskan tentang Efek Pemacuan Emerson yang ditunjukkan dengan kerjasama kedua fotosistem.

Untuk setiap molekul CO2 yang difiksasi dibutuhkan 2 molekul H2O. Setiap molekul H2O menyediakan 2 elektron dan setiap elektron membutuhkan 2 foton. Jadi, untuk fiksasi I molekul CO2 dibutuhkan 8 foton. Akan tetapi untuk kebanyakan jenis tumbuhan dibutuhkan 15 sampai 20 foton. Pada kondisi optimal mungkin dibutuhkan hanya 12 foton. Jadi tetap lebih banyak dari perhitungan teoritis berdasarkan model pada Gambar 1.

Untuk memahami mengapa terdapat diskrepansi antara estimasi model dengan data pengukuran langsung, perlu dilihat dari aspek lainnya, yakni jumlah ATP yang dibutuhkan untuk fotosintesis. Tiga molekul ATP dibutuhkan untuk mereduksi 1 molekul CO2 menjadi karbohidrat sederhana, tetapi lebih banyak ATP yang dibutuhkan, termasuk untuk memacu akumulasi bahan terlarut, aliran sitoplasmik (cytoplasmic streaming), dan untuk sintesis polisakarida kompleks, protein, dan asam-asam nukleat dari setiap CO2 yang direduksi. Oleh sebab itu, perlu diperhitungkan kebutuhan lebih dari 2 molekul ATP untuk setiap 2 molekul H2O yang dipecah dan 2 molekul NADPH yang dihasilkan.

e. FotofosfolirasiPembentukan ATP dari ADP dan Pi secara termodinamik tidak akan terjadi

tanpa bantuan energi cahaya. Oksidasi H2O dan PQH, menyebabkan konsentrasi H+ di dalam saluran thilakoid (pH 5) dapat menjadi 1000 kali lebih tinggi dibandingkan pada stroma (pH 8) selama fotosintesis berlangsung. Perbedaan konsentrasi yang sangat besar ini menjadi tenaga pendorong untuk difusi H+. Membran thilakoid sesungguhnya tidak permeabel terhadap H+ dan ion-ion lain kecuali jika melalui CF. Perbedaan pH antara kedua sisi membran ini menyediakan energi kimia yang potensial dalam memacu fotofosforilasi.

Ide bahwa perbedaan pH dapat menyediakan energi untuk sintesis ATP dalam kloroplas, mitokondria, dan bakteri diusulkan pertama kali oleh Peter Mitchell di Inggris tahun 1961 (ini yang menyebabkan Mitchell menerima hadiah nobel untuk bidang kimia tahun 1978). Teori Mitchell disebut teori khemiosmotik (tetapi tidak ada hubungannya dengan osmosis). Bukti langsung dari teori ini pertama didapatkan oleh peneliti fotosintesis G. Hind dan Andre Jagendorf pada Universitas Cornell pada tahun 1963.

Teori khemiosmotik juga menjelaskan bagaimana uncoupler bekerja pada proses fotofosforilasi. Diberi nama uncoupler karena perannya menghilangkan keterkaitan antara pengangkutan elektron dengan fosforilasi. Beberapa uncoupler ini telah diketahui, antara lain adalah NH3 dan dinitrofenol. Uncoupler bergerak dalam saluran thilakoid untuk mengikat H+ dan mengangkutnya ke sisi stroma membran thilakoid dan kemudian membebaskan H+ tersebut. H+ yang dibebaskan bersama OH-

membentuk H2O. Aksi yang berulang-ulang dari uncoupler ini memperkecil

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 7

perbedaan pH antara dua sisi membran thilakoid dan berarti menghambat sintesis ATP. Sebaliknya, kondisi yang tercipta tersebut akan memacu pengangkutan elektron karena secara termodinamik akan lebih mudah untuk mengangkut H+ menyeberangi membran thilakoid dalam kaitannya dengan oksidasi-reduksi PQ.

Masalah selanjutnya yang belum dimengerti adalah mekanisme bagaimana CF memanfaatkan energi dari pergerakan H+ dari saluran ke sisi stroma membran thilakoid untuk mensintesis ATP. Walaupun demikian, jumlah H+ yang harus diangkut untuk membentuk 1 molekul ATP dapat dihitung tanpa harus mengetahui mekanismenya, yakni 3 H+ yang dibutuhkan untuk mensintesis 1 molekul ATP.

Pembentukan ATP tambahan dapat berasal dart lintasan elektron dan pengangkutan H+ yang tidak sepenuhnya terkait dengan lintasan nonsiklik. Lintasan ini melibatkan PS I, ferredoksin, kompleks sitokhrom b6 dan f, PQ, dan PC, tetapi tidak melibatkan PS II. Untuk jelasnya pada Gambar 1, yakni, lintasan dengan garis tipis. Karena elektron dibawa dari P700 dan akhirnya kembali lagi ke P700, maka lintasan ini disebut sebagai Lintasan Pengangkutan Elektron Siklik. Penyerapan 2 foton menyebabkan 2 elektron akan diangkut (berkeliling dari dan ke P700) dan menyebabkan 2 H+ dihantar masuk ke saluran thilakoid sebagai hasil dari oksidasi PQH,. Tidak ada molekul air yang dipecah, karena PS II tidak terlibat dan juga tidak ada NADPH yang terbentuk dari lintasan pengangkutan elektron ini, tetapi ATP akan dihasilkan oleh CF sebagai akibat dari penurunan pH saluran membran thilakoid. Pembentukan ATP melalui lintasan pengangkutan elektron siklik ini disebut fotofosforilasi siklik.

Secara kuantitatif, jika 8 foton terlibat untuk kedua fotosistem akan dihasilkan 8 H+ melalui lintasan nonsiklik dan jika 4 foton lagi hanya diserap oleh PS I dan menghasilkan 4 H+ tambahan, maka 12 foton tersebut akan menghasilkan 12 H+ di dalam saluran thilakoid. Jika 3 H+ dibutuhkan CF untuk membentuk 1 molekul ATP, maka 12 H+ cukup untuk mensintesis 4 molekul ATP.

Disebutkan terdahulu, bahwa dibutuhkan lebih dart 3 ATP untuk mengkonversi 1 molekul CO2 menjadi karbohidrat dan pengukuran langsung pada daun menunjukkan bahwa 12 foton dibutuhkan untuk mereduksi setiap molekul CO2. Untuk kedua lintasan pengangkutan elektron ini (siklik dan nonsiklik) model yang disajikan pada Gambar 1 konsisten dengan data hasil penelitian tersebut di atas. Berdasarkan uraian ini, maka persamaan fotosintesis dapat ditulis dengan menyertakan kebutuhan minimum 12 foton.

CO2 + 2H2O + 12 foton → (CH2O) + O2 + H2O

ATP dan NADPH tidak dimasukkan pada persamaan fotosintesis di atas, karena pembentukannya diimbangi dengan penggunaannya dalam reduksi CO2. Protein dan asam nukleat (berdasarkan satuan beratnya) membutuhkan lebih banyak ATP dibandingkan dengan polisakarida. Protein dan asam nukleat ini lebih banyak terdapat pada sel-sel yang sedang aktif tumbuh dibandingkan dengan pada sel-sel dewasa. Pada sel dewasa lebih banyak polisakarida yang terkandung.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 8

B. Reaksi gelapReaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-

Benson dan jalur Hatch-Slack. a. Siklus Calvin-Benson

Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah senyawa ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP, senyawa dengan lima atom C) dan molekul karbondioksida menjadi dua senyawa 3-fosfogliserat (PGA). Oleh karena PGA memiliki tiga atom karbon tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C3. Penambatan CO2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim Rubisco, yang merupakan enzim alami yang paling melimpah di bumi. Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack disebut tumbuhan C4 karena senyawa pertama yang terbentuk setelah penambatan CO2 adalah asam oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon. Enzim yang berperan adalah fosfoenolpiruvat karboksilase.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 9

Mekanisme siklus Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO2 oleh ribulosa difosfat karboksilase (RuBP) membentuk 3-fosfogliserat. RuBP merupakan enzim alosetrik yang distimulasi oleh tiga jenis perubahan yang dihasilkan dari pencahayaan kloroplas. Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan pH. Jika kloroplas diberi cahaya, ion H+ ditranspor dari stroma ke dalam tilakoid menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase, terletak di permukaan luar membran tilakoid. Kedua, reaksi ini distimulasi oleh Mg2+, yang memasuki stroma daun sebagai ion H+, jika kloroplas diberi cahaya. Ketiga, reaksi ini distimulasi oleh NADPH, yang dihasilkan

oleh fotosistem I selama pemberian cahaya. Fiksasi CO2 ini merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan kloroplas. Fiksasi CO2 melewati proses karboksilasi, reduksi, dan regenerasi. Karboksilasi melibatkan penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(3-PGA). Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi 1 gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3-Pgaldehida).

Reduksi ini tidak terjadi secara langsung, tapi gugus karboksil dari 3-PGA pertama diubah menjadi esterjenis anhidrida asam pada asam 1,3-bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terakhir dari ATP. ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat menjadi ATP oleh reaksi fotofosforilasi tambahan. Bahan

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 10

pereduksi yang sebenarnya adalah NADPH, yang menyumbang 2 elektron. Secara bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali untuk mengubah ADP menjadi ATP.

Pada fase regenerasi, yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk bereaksi dengan CO2 tambahan yang berdifusi secara konstan ke dalam dan melalui stomata. Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap molekul CO2 yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP, kemudian daur dimulai lagi.

Tiga putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO2 dan produk akhirnya adalah 1,3-Pgaldehida. Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati, sebagian lainnya dibawa keluar. Sistem ini membuat jumlah total fosfat menjadi konstan di kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat di sitosol Triosa fosfat digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa.

b. Siklus Hatch-SlackBerdasarkan cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat dibedakan menjadi

tumbuhan C3 dan C4. Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari daerah subtropis. Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO2 melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO2.

Tumbuhan C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa. Namun, ATP ini dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat CO2 tetapi menambat O2. Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan di daerah tropis. Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2 menjadi glukosa.

Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan mengikat CO2 dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi piruvat dan CO2. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO2 akan masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan melibatkan enzim RuBP. Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack, yang terjadi di sel mesofil. Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 11

SINTESIS KARBOHIDRAT

A. FIKSASI KARBON DIOKSIDA Melalui serangkaian penelitian pada kurun waktu antara 1946 sampai 1953, dengan

menggunakan teknik khromatografi dan penggunaan karbondioksida bermuatan radio aktif (14CO2), Melvin Calvin bersama beberapa peneliti pada Universitas California di Berkeley berhasil mengidentifikasi produk awal dari fiksasi CO2. Produk awal tersebut adalah asam 3-fosfogliserat, atau sering disingkat PGA. Calvin dalam penelitiannya menggunakan ganggang hijau sel tunggal Chlorella sp. Produk awal tersebut diperoleh jika ganggang ini dibunuh (dengan menggunakan larutan etanol 80% yang mendidih) hanya 2 detik setelah 14CO2 diberikan. Produk awal ini sekarang telah diketahui juga diperoleh dari berbagai daun tumbuhan. Molekul 3-PGA dan kebanyakan asam pada tumbuhan terdapat dalam bentuk yang terionisasi, yakni tanpa H+ pada gugus karboksilnya.

Karena PGA tersusun dari 3 atom karbon, semula diduga pasti ada molekul dengan 2 atom karbon yang bergabung dengan CO2 untuk membentuk PGA. Untuk membuktikan teori ini, dilakukan penelitian dengan cara memberikan 14CO2 dalam waktu singkat dan kemudian pemberian CO2 dihentikan secara mendadak. Dengan teknik ini diharapkan senyawa yang secara alami akan bergabung dengan CO2 untuk membentuk PGA akan terakumulasi (karena ketidaktersediaan CO2). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa tidak ada senyawa dengan 2 atom C yang terakumulasi. Senyawa yang terakumulasi adalah senyawa dengan 5 atom C, yakni ribulosa-1,5-bisfosfat (disingkat RuBP). Hasil ini mengisyaratkan bahwa RuBP yang bergabung dengan CO2

untuk membentuk PGA, tentunya yang dihasilkan bukan 1 molekul PGA, tetapi 2 molekul PGA.

Reaksi antara CO2 dengan RuBP dipacu oleh enzim ribulosa bisfosfat karboksilase, disingkat rubisco. Pada awalnya, reaksi antara CO2 dengan RuBP akan membentuk senyawa antara 6 atom C yang tidak stabil, kemudian dengan penambahan air akan pecah menjadi 2 molekul PGA.

Rubisco berperan pada semua organisme yang berfotosintesis, kecuali pada beberapa bakteri fotosintetik. Rubisco penting sekali artinya, bukan cuma karena fungsinya mengkatalisis reaksi yang sangat penting tersebut, juga karena jumlahnya yang sangat banyak. Rubisco mungkin merupakan bentuk protein yang paling banyak dijumpai di muka bumi ini. Kloroplas mengandung sekitar separuh dari total protein pada daun dan di antara protein kloroplas seperempat sampai separuhnya merupakan rubisco. Jadi, seperempat sampai seperdelapan protein pada daun adalah dalam bentuk enzim rubisco. Dengan demikian, enzim ini penting artinya dalam diet ternak dan manusia.

B. SIKLUS CALVIN Penelusuran lebih jauh (dengan teknik yang sama) berhasil mengidentifikasi

berbagai senyawa gula fosfat yang terbentuk dari PGA. Senyawa-senyawa tersebut termasuk tetrosa fosfat (dengan 4 atom C), pentosa fosfat (5 atom C), heksosa fosfat (6

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 12

atom C), dan heptosa fosfat (7 atom C). Urutan terbentuknya senyawa-senyawa ini dapat diketahui tergantung pada waktu kapan 14CO2 mulai terikat pada molekul senyawa-senyawa yang bersangkutan.

Jika molekul PGA yang mengandung 14C terurai, maka 14C akan berada pada gugus karboksil, tetapi kemudian kedua atom C lainnya dari molekul PGA juga bermuatan radio aktif (terdiri dari 14C). 14C untuk 2 molekul PGA ini tidak berasal langsung dari 14CO2, tetapi ditransfer dari molekul lainnya (yakni RuBP). Kejadian ini mengisyaratkan bahwa telah terjadi proses siklik dalam pembentukan senyawa PGA.

Calvin bersama-sama dengan peneliti lainnya berhasil mengidentifikasi dan menentukan urutan senyawa-senyawa antara dalam siklus tersebut. Siklus ini kemudian dikenal sebagai Siklus Calvin atau Siklus Reduksi Karbon Fotosintetik atau Lintasan Fotosintetik C-3 (karena produk awalnya mengandung 3 atom C).

Siklus Calvin berlangsung pada stroma kloroplas. Siklus ini terdiri dari 3 tahap utama, yakni karboksilasi, reduksi, dan regenerasi (Gambar 2). Karboksilasi mencakup proses penambahan CO2 dan H2O pada RuBP untuk membentuk 2 molekul 3-PGA. Reduksi berlangsung pada gugus karboksil molekul 3-PGA untuk membentuk gugus aldehida pada senyawa 3-fosfogliseraldehida (disingkat 3-PGald). Proses reduksi tersebut tidak langsung terjadi pada gugus karboksil 3-PGA, tetapi dirombak dahulu menjadi asam 1,3-bisfosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus fosfat terminal dari ATP (ATP ini berasal dari fotofosforilasi. Dalam reaksi ini, pereduksi sesungguhnya adalah NADPH yang memberikan 2 elektron pada atom C gugus ester anhidrida. Reaksi ini merupakan reaksi reduksi satu-satunya pada siklus Calvin.

Karena kedua molekul 3-PGA direduksi dengan cara yang lama, maka dibutuhkan 2 molekul ATP untuk mengkonversi 1 molekul CO2 menjadi karbohidrat. Jadi, untuk setiap CO2 yang difiksasi dibutuhkan 2 ATP dan 2 NADPH. Satu molekul ATP lagi dibutuhkan pada tahap regenerasi. Dengan demikian, total ATP yang dibutuhkan adalah 3 molekul per 1 molekul CO2.

Tahap regenerasi ini lebih kompleks dan melibatkan gula-gula yang terfosforilasi dengan 4, 5, 6, atau 7, atom C. Secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 2. ATP yang ketiga tersebut dibutuhkan untuk mengkonversi ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP.

GAMBAR 2. Tiga tahap utaina pada Siklus Calvin: karboksilasi, reduksi, dan regenerasi.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 13

Tiga putaran dari siklus Calvin akan memfiksasi 3 CO2 dan menghasilkan 1 molekul 3-PGald. Sebagian dari 3-PGald yang dihasilkan digunakan dalam kloroplas untuk mensintesis pati, yang merupakan produk fotosintetik penting jika fotosintesis berlangsung cepat. Sebagian lagi diangkut keluar kloroplas dengan sistem pengangkutan antiport, dipertukarkan dengan P atau 3-PGA lainnya dari sitoplasma. Sebagian lagi dari 3-PGald akan dikonversi menjadi dihidroksiaseton fosfat, suatu triosa fosfat yang juga dapat ditransfer keluar dari kloroplas. Dihidroksiaseton fosfat ini dalam sitosol digunakan untuk membentuk sukrosa, polisakarida untuk dinding sel, dan ratusan senyawa lainnya yang disintesis oleh tumbuhan. Pengangkutan triosa fosfat ini keluar dari kloroplas dan penting artinya, karena bentuk gula fosfat lainnya ditahan di dalam kloroplas.

GAMBAR 3. Reaksi-reaksipada Siklus Calvin untuk memperlihatkan senyawa-senyawa antara yang terbentuk.

C. LINTASAN ASAM DIKARBOKSILAT C-4 Setelah ditemukannya Siklus Calvin, pada awalnya dianggap bahwa masalah

reaksi-reaksi yang berlangsung selama fase gelap fotosintesis dianggap sudah tuntas diketahui. Akan tetapi, ternyata reaksi siklus Calvin tidak berlaku untuk semua tumbuhan.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 14

Pada tahun 1965, H.P. Kortschak, C.E. Hart, dan G.O. Burr mendapatkan bahwa daun tebu memfiksasi CO2 pertama-tama untuk membentuk senyawa dengan 4 atom C, yakni asam malat dan asam aspartat, bukan senyawa PGA. Pada daun tebu tersebut, fotosintesis berlangsungcepatdan efisien. Setelah 1 detik diberikan 14CO2 maka 80% dari 14CO2 tersebut ditemui dalam bentuk asam malat atau asam aspartat dan hanya 10% dalam bentuk PGA. Hasil ini mengisyaratkan bahwa PGA bukan merupakan produk awal dari fotosintesis pada tanaman ini.

Tumbuhan yang produk awal fiksasi CO2-nya berupa senyawa 4 karbon ini kemudian disebut sebagai species C-4; sedangkan yang produk awalnya berupa PGA disebut spesies C-3. Tanaman C-4 yang penting lainnya selain tebu adalah jagung, sorghum, dan beberapa spesies rumputan asal daerah tropis lainnya, akan tetapi gandum, oat, padi, dan bambu adalah tanaman C-3.

Kebanyakan tumbuhan C-4 adalah tergolong sebagai tumbuhan monokotil, tetapi ada pula sekitar 300 tumbuhan C-4 merupakan tumbuhan dikotil. Lintasan C-4 agaknya hanya ditemukan pada tumbuhan angiosperma tertentu (sebagian besar tumbuhan angiosperma lainnya merupakan tumbuhan C-3), sedangkan seluruh tumbuhan gimnosperma, pteridofita, briofita, dan ganggang merupakan tumbuhan C-3. Sebagian besar pohon dan semak juga tergolong C-3 dengan sedikit pengecualian.

Reaksi di mana CO2 (atau lebih tepatnya HCO3) dikonversi menjadi asam malat atau asam aspartat adalah melalui penggabungannya dengan fosfoenolpiruvat (PEP) untuk membentuk oksaloasetat dan Pi. Oksaloasetat sulit untuk dideteksi karena senyawa ini dengan cepat dikonversi menjadi asam malat atau asam aspartat.

Enzim PEP-karboksilase ditemukan pada setiap sel tumbuhan yang hidup dan enzim ini yang berperan dalam memacu fiksasi CO2 pada tumbuhan C-4. Enzim PEP-karboksilase terkandung dalam jumlah yang banyak pada daun tumbuhan C-4. Pada daun tumbuhan C-3 dan pada akar, buah, dan sel-sel tanpa klorofil lainnya ditemukan suatu isozim dari PEP-karboksilase. Pada sel-sel ini, fungsinya adalah membantu menggantikan asam-asam pada Siklus Krebs yang digunakan dalam reaksi sintetik dan membantu untuk mensintesis malat yang dibutuhkan untuk menjaga keseimbangan muatan. Pada semua kasus, PEP-karboksilase terdapat di dalam sitosol, di luar semua organel termasuk kloroplas.

Reaksi untuk mengkonversi oksaloasetat menjadi malat dirangsang oleh enzim malat dehidrogenase dengan kebutuhan elektronnya disediakan oleh NADPH. Yang menarik adalah enzim malat dehidrogenase terdapat pada kloroplas, dengan demikian, oksaloasetat harus masuk ke dalam kloroplas untuk direduksi menjadi malat. Masuknya oksaloasetat ini berlangsung secara antiport dengan peranan protein pembawa dan sebagai imbangannya malat dikirim keluar dari kloroplas.

Pembentukan aspartat dan malat terjadi di dalam sitosol dan membutuhkan asam amino lain (umumnya alanin) sebagai cumber gugus aminonya. Proses ini disebut transaminasi, karena transfer gugus amino berlangsung pada reaksi ini.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 15

Pada tumbuhan C-4 terdapat pembagian tugas antara 2 jenis sel fotosintetik, yakni sel-sel mesofil dan sel-sel bundle sheath. Kedua jenis sel fotosintetik ini dibutuhkan untuk mensintesis gula, pati, dan produk tumbuhan lainnya. Selapis (kadang 2 lapis) sel bundle sheath dengan dinding sel yang tebal mengelilingi jaringan pembuluh membentuk struktur yang disebut anatomi Kranz (kranz anatomy). Sel bundle sheath pada tumbuhan C-4 memiliki jauh lebih banyak kloroplas, mitokondria, dan organel-organel lainnya, serta memiliki vakuola yang lebih kecil dibandingkan dengan pada tumbuhan C-3 (Keberadaan sel bundle sheath pada tumbuhan C-3 kadang tidak jelas). Hampir semua pati pada daun terdapat pada kloroplas dari sel bundle sheath, hanya sedikit dijumpai pada sel mesofil pada tumbuhan C-4.

Berdasarkan hasil pengamatan seperti diuraikan di atas, maka diyakini bahwa malat dan aspartat disintesis pada sel-sel mesofil, sedangkan 3-PGA, sukrosa, dan pati dihasilkan di sel-sel bundle sheath. Rubisco dan enzim-enzim lain yang berperan pada Siklus Calvin hanya ditemukan pada sel-sel bundle sheath. Berdasarkan fakta ini, maka pada tumbuhan C-4 reaksi-reaksi siklus Calvin berlangsung pada sel bundle sheath, sedangkan PEP karboksilase terdapat pada sel mesofil. Jadi, sesungguhnya tumbuhan C-4 mengaplikasikan kedua jenis mekanisme fiksasi CO2.

Alasan mengapa CO2 pertama difiksasi menjadi malat atau aspartat tidak lain karena setelah masuk ke rongga substomatal,maka CO2 harus melalui sel-sel mesofil terlebih dahulu sebelum sampai ke sel-sel bundle sheath. Aktivitas enzim PEP karboksilase sangat tinggi, sedangkan enzim rubisco tidak terdapat pada sel-sel mesofil tersebut. Kebanyakan CO2 yang telah difiksasi menjadi gugus karboksil pada malat atau aspartat akan segera ditransfer melalui plasmodesmata ke sel-sel bundle sheath.

Pada sel-sel bundle sheath, malat dan aspartat akan mengalami dekarboksilasi untuk menghasilkan CO2 yang oleh rubisco segera difiksasi untuk membentuk 3-PGA. Selanjutnya sukrosa dan pati disintesis melalui siklus Calvin dan reaksi-reaksi lain di dalam sel-sel bundle sheath.

Dekarboksilasi yang berlangsung pada sel bundle sheath selain akan membebaskan CO2, juga akan menghasilkan piruvat atau alanin. Kedua senyawa ini kemudian diangkut kembali ke sel-sel mesofil, di mana kedua senyawa ini kembali bereaksi dengan CO2

untuk membentuk aspartat dan malat. Daur reaksi ini berlangsung berulang-ulang. Peranan malat dan aspartat untuk lintasan C-4 adalah sebagai pengangkut CO2 masuk ke sel bundle sheath. Secara lengkap model lintasan C-4 dan hubungannya dengan siklus Calvin dapat dilihat pada Gambar 4.

Ada spesies yang lebih banyak menghasilkan aspartat diban-ding malat. Proses dekarboksilasi aspartat berlangsung melalui proses transaminasi untuk

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 16

menghasilkan oksaloasetat, kemudian oksaloasetat ini direduksi menjadi malat. Selanjutnya, malat mengalami dikarboksilasi secara oksidatif oleh enzim malat yang menggunakan NAD+ sebagai penerima elektron untuk menghasilkan piruvat, CO2, dan NADH. Piruvat dikonversi menjadi alanin melalui proses transaminasi kemudian alanin diangkut ke sel mesofil. Nitrogen yang terkandung dalam molekul alanin mengembalikan nitrogen yang terbawa oleh aspartat.

Untuk spesies yang lebih banyak menghasilkan malat dibanding aspartat, maka malat tersebut akan mengalami dekarboksilasi secara oksidatif untuk menghasilkan piruvat dan CO2 tetapi dengan enzim malat yang menggunakan NADP+ sebagai penerima elektronnya. NADPH yang terbentuk digunakan untuk mereduksi 3-PGA menjadi 3-PGald.

Sistem dekarboksilasi lain (tidak dimasukkan dalam model pada Gambar 4) untuk aspartat adalah dekarboksilasi yang dikatalis oleh PEP-karboksikinase dengan menggunakan oksaloasetat hasil konversi dari aspartat. Oksaloasetat bereaksi dengan ATP untuk menghasilkan PEP, ADP, dan CO2.

GAMBAR 4. Pembagian Tugas Antara Sel Mesofil dan Sel Bundle Sheath Dalam Fiksasi CO2 Pada tumbuhan C-4

Aspek lain yang perlu penjelasan lebih jauh adalah bagaimana asam 3 karbon (piruvat dan alanin) yang dikirim kembali ke mesofil sel dapat membentuk PEP agar

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 17

fiksasi CO2 dapat terus berlangsung. Alanin dikonversi kembali membentuk piruvat melalui proses transaminasi. Kemudian piruvat dikonversi membentuk PEP oleh enzim piruvat-fosfat dikinase pada khloroplas dengan menggunakan ATP dan P. Enzim piruvat-fosfat dikinase hanya ditemukan pada sel mesofil tumbuhan C-4 dan tumbuhan Metabolisme Asam Crassulacean (disingkat CAM).

piruvat + ATP + Pi → PEP + AMP + pirofosfat

Tumbuhan C-4 membutuhkan 2 ATP lebih banyak (total 5 ATP) untuk setiap molekul CO2 yang difiksasi. Kebutuhan 2 ATP tersebut adalah untuk regenerasi ATP dari AMP hasil reaksi sintesis PEP sebagaimana terlihat pada reaksi di atas. Walaupun tumbuhan C-4 terlihat tidak efisien dalam penggunaan ATP, tetapi secara konsisten tumbuhan C-4 menunjukkan laju fotosintesis yang lebih tinggi dibanding tumbuhan C-3 pada suhu dan intensitas cahaya yang relatif tinggi. Laju fotosintesis yang lebih rendah pada tumbuhan C-3 sesungguhnya disebabkan karena sebagian dari CO2 yang telah difiksasi terurai kembali melalui proses fotorespirasi. Fotorespirasi ini tidak terjadi pada tumbuhan C-4.

D. METABOLISME ASAM CRASSULACEAN Beberapa spesies tumbuhan mempunyai sifat yang berbeda dengan kebanyakan

tumbuhan lainnya, yakni membuka stomata pada malam hari dan menutup stomata pada siang hari. Kelompok tumbuhan ini umumnya adalah tumbuhan jenis sukulen yang tumbuh di daerah kering. Dengan menutup stomatanya pada siang hari tumbuhan ini akan dapat mengurangi laju transpirasinya, sehingga lebih mampu untuk beradaptasi pada daerah kering tersebut.

Perilaku stomata yang unik ini akan mempengaruhi metabolisme CO2 yang berlangsung pada tumbuhan ini, karena CO2 hanya akan diserap oleh tumbuhan ini pada malam hari. Karena metabolisme yang unik ini pertama kali diteliti pada tumbuhan dari famili Crassulaceae, maka metabolisme CO2 ini disebut sebagai Metabolisme Asam Crassulacean. Pada saat sekarang telah diketahui, bahwa metabolisme ini juga ditemui pada beberapa anggota dari 20 famili tumbuhan, termasuk Cactaceae, Orchidaceae, Bromeliaceae, Liliaceae, dan Euuphorbiaceae.

Perlu ditekankan bahwa tidak semua tumbuhan CAM adalah tumbuhan sukulen, sebaliknya juga tidak semua tumbuhan sukulen merupakan tumbuhan CAM. Kebanyakan tumbuhan halofita (tumbuhan yang beradaptasi pada tempat dengan salinitas tinggi) bukan merupakan tumbuhan CAM. Tumbuhan CAM umumnya tidak memiliki lapisan set palisade yang teratur. Set dawn dan ranting merupakan set mesofil bunga karang (spongy). Terdapat set bundle sheath tetapi set tersebut tidak banyak berbeda dengan set mesofil.

Keunikan dari CAM adalah pembentukan asam malat pada malam hari dan penguraiannya pada siang hari. Pembentukan asam malat pada malam hari ini dibarengi dengan penguraian gula, pati, atau polimer glukosa yang mirip dengan pati. Asam malat merupakan jenis asam yang paling banyak terbentuk, tetapi pada beberapa spesies juga terakumulasi dalam jumlah yang lebih rendah jenis asam-asam lainnya, seperti asam

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 18

sitrat dan asam isositrat (yang disintesis dari asam malat). Akan tetapi, konsentrasi asam sitrat dan isositrat tidak berubah pada siang dan malam hari.

Model fiksasi CO2 pada tumbuhan CAM dapat dilihat pada Gambar 12.4. Pada malam hari, pati diurai melalui reaksi glikolisis sampai PEP terbentuk. CO7 (lebih tepatnya HCO3

-) bereaksi dengan PEP untuk membentuk oksaloasetat dengan bantuan enzim PEP karboksilase. Oksaloasetat selanjutnya direduksi menjadi malat dengan bantuan enzim malat dehidrogenase dan pereduksi NADH. Malat yang terbentuk kemudian disimpan pada vacuola dalam bentuk asam malat.

Pada siang hari, asam malat diangkut keluar dari vacuola secara difusi pasif. Dalam sitosol, asam malat akan didekarboksilasi untuk membebaskan kembali CO2. Ada 3 alternatif reaksi dekarboksilasi malat pada tumbuhan CAM (Gambar 5). Alternatif tersebut agaknya tergantung pada spesies tumbuhannya.

CO2 yang dibebaskan oleh rubisco akan difiksasi kembali untuk membentuk 3-PGA. Reaksi-reaksi selanjutnya adalah sama dengan reaksi-reaksi pada Siklus Calvin sebagaimana berlangsung pada tumbuhan C-3. Yang menarik untuk dipertanyakan adalah mengapa rubisco yang berperan memfiksasi CO2 pada siang hari dan bukan PEP karboksilase, padahal PEP karboksilase berada pada sitosol, sedangkan rubisco berada pada kloroplas dan CO2 pertama dibebaskan pada sitosol sebelum diangkut ke kloroplas. Di samping itu, enzim PEP karboksilase dan rubisco memiliki tingkat afinitas yang sama terhadap CO2. Alasan yang dikemukakan sehubungan dengan fakta ini adalah bahwa PEP karboksilase pada tumbuhan CAM akan dikonversi ke bentuk tak aktif pada siang hari. Bentuk tak aktif PEP karboksilase ini mempunyai afinitas yang rendah terhadap PEP dan aktivitasnya sangat dihambat oleh malat.

GAMBAR 4. Model Fiksasi CO2 Pada Tumbuhan CAM

E. SINTESIS SUKROSA, PATI, DAN FRUKTAN Pada tumbuhan C-3, C-4, dan CAM bentuk senyawa yang diakumulasi sebagai

hasil fotosintesis adalah sukrosa atau pati. Gula heksosa bebas seperti glukosa dan fruktosa dijumpai dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah pada sel-sel fotosintetik.

Sebaliknya, pada sel-sel nonfotosintetik akumulasi glukosa dan fruktosa banyak dijumpai. Pada beberapa spesies rumput-rumputan (terutama yang berasal dari daerah beriklim sedang seperti Hordeae, Aveneae, dan Festttceae) dan sedikit jenis tumbuhan dikotil pati bukan merupakan produk fotosintesis utama, pada tumbuhan ini polimer sukrosa dan fruktosa (disebut fruktan atau fruktosan) merupakan produk fotosintesis yang banyak dijumpai pada daun dan batangnya, tetapi pada akar dan bijinya yang terakumulasi adalah pati.

Sintesis Sukrosa. Sukrosa merupakan senyawa penting dan terkandung dalam jumlah yang besar di dalam tumbuhan. Sukrosa berfungsi sebagai cumber energi pada sel fotosintetik dan dapat ditranslokasikan melalui pembuluh floem ke jaringan yang sedang tumbuh. Sintesis sukrosa berlangsung pada sitosol, tidak di dalam kloroplas. Glukosa dan fruktosa bebas bukan merupakan precursor yang penting untuk sintesis sukrosa. Sintesis sukrosa menggunakan bahan baku berupa glukosa dan fruktosa yang telah mengalami fosforilasi. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa triosa fosfat (3-PGald dan

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 19

dihidroksiaseton fosfat) diangkut dari kloroplas sel fotosintetik dan berperan sebagai precursor untuk sintesis heksosa fosfat dan sukrosa.

Dua molekul triosa fosfat dikonversi menjadi fruktosa-6-fosfat, di mana sebagian dari fruktosa-6-fosfat ini dikonversi menjadi glukosa-6-fosfat dan selanjutnya dikonversi menjadi glukosa-l-fosfat. Fruktosa-6-fosfat dan glukosa-l-fosfat merupakan 2 heksosa yang dibutuhkan untuk membentuk disakarida sukrosa, tetapi penggabungan kedua heksosa ini membutuhkan energi untuk mengaktifkan unit glukosanya. Kebutuhan energi ini dipenuhi oleh uridin trifosfat (UTP) yang merupakan nukleosida trifosfat seperti halnya ATP tetapi mengandung basa pirimidin urasil (bukan basa purin adenosin seperti pada molekul ATP). UTP bereaksi dengan glukosa-l-fosfat. Dalam reaksi ini dua fosfat terminal pada UTP dibebaskan sebagai pirofosfat dan fosfat pada glukosa-l-fosfat menjadi teresterisasi dengan satu fosfat yang tertinggal pada UTP membentuk suatu molekul yang disebut uridin difosfat glukosa (UDPG). Glukosa pada UDPG telah me-ngalami aktivasi, karena dalam bentuk ini akan siap ditransfer ke molekul penerima seperti fruktosa-6-fosfat. Secara ringkas, reaksi-reaksi sebagai berikut:

i. UTP + glukosa-1-P ↔ UDPG + PPi

ii. UDPG + fruktosa-6-P ↔ sukrosa-6-P + UDPiii. Sukrosa-6-P + H2O → sukrosa + Pi

Enzim yang berperan dalam reaksi-reaksi di atas membutuhkan Mg2+ sebagai kofaktor. UDP dapat dikonversi kembali menjadi UTP dengan bantuan ATP. Dengan demikian, dibutuhkan 1 molekul ATP untuk membentuk ikatan glikosidik antara 2 heksosa pada molekul sukrosa. Karena 3 molekul ATP dibutuhkan dalam siklus Calvin untuk masing-masing karbon dari masing-masing heksosa, maka kebutuhan ATP untuk membentuk 1 molekul sukrosa adalah sebanyak 37 molekul [yakni (3 ATP/C x 6 C/heksosa x 2 heksosa/sukrosa) + 1 ATP/sukrosa].

Sintesis Pati. Karbohidrat simpanan pada tumbuhan kebanyakan adalah dalam bentuk pati. Pada daun kebanyakan spesies tumbuhan, pati diakumulasi di tempatnya disintesis, yakni pada kloroplas. Pada organ penyimpan (buah, umbi, dan lain-lain), pati ditimbun pada amiloplas. Sintesis pati pada amiloplas menggunakan bahan baku sukrosa atau bentuk karbohidrat sederhana lainnya yang dikirim dari daun. Jadi pada dasarnya, pati selalu berada dalam plastida.

Pada siang hari, pati akan terakumulasi pada daun jika laju fotosintesis melampaui laju respirasi dan translokasi fotosintat keluar dari daun. Pada malam hari, pati yang terakumulasi ini akan diurai kembali melalui proses respirasi dan diangkut keluar dari daun.

Dua jenis pati yang dikenal adalah amilosa dan amilopektin. Kedua jenis pati ini tersusun dari D-glukosa dengan ikatan alfa 1,4. Ikatan alfa 1,4 ini yang menyebabkan rantai pati terpilin membentuk struktur heliks. Beda antara amilosa dan amilopektin adalah bahwa amilosa tidak bercabang, sedangkan amilopektin membentuk percabangan dalam struktur molekulnya. Cabang pada molekul amilopektin terbentuk antara C-6 pada glukosa rantai utama dengan C-1 pada glukosa pertama rantai cabang.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 20

Junilah unit glukosa pada molekul amilopektin berkisar antara 2.000 sampai 500.000, sedangkan amilosa hanya terdiri dari beberapa ribu unit glukosa. Pati yang terkandung dalam turnbuhan antara 60-100% adalah dalam bentuk amilopektin. Sebagai contoh, pati umbi kentang terdiri dari 78% amilopektin dan 22% amilosa. Perbandingan ini agaknyajuga berlaku untuk buah pisang, biji kapri, gandum, padi, dan jagung.

Pembentukan pati umumnya berlangsung melalui proses yang lama secara berulang-ulang dengan menggunakan glukosa dari gula nukleosisa yang mirip dengan UDPG yang disebut adenosin difosfoglukosa (ADPG). Pembentukan ADPG berlangsung dalam kloroplas atau plastida lainnya menggunakan ATP dan glukosa-l-P.

Reaksi di atas dipacu oleh enzim pati sintetase. Enzim ini diaktivasi oleh K+. Berbagai isozim dari pati sintetase dijumpai pada tumbuhan yang berbeda atau pada organ yang berbeda pada tumbuhan yang lama. Pembentukan cabang pada amilopektin agaknya tidak menggunakan glukosa dari ADPG. Enzim yang berperan membentuk percabangan menggabungkan antara molekul pati yang satu dengan molekul pati yang lain (jadi bukan per unit glukosa) dengan ikatan alfa-1,6 (bukan alfa-1,4).

Pembentukan pati pada khloroplas lebih terpacujika intensitas cahaya tinggi adalah karena enzim yang berperan membentuk ADPG secara alosterik diaktifkan oleh 3-PGA dan dihambat oleh P. Sintesis 3-PGA meningkat dengan meningkatnya intensitas cahaya, sedangkan P. menurun karena penggunaannya untuk membentuk ATP selama fotofosforilasi.

Sintesis Fruktan. Fruktan banyak dikandung dalam tumbuhan rumput-rumputan makanan ternak dan juga pada umbi tumbuhan dari famili Asteraceae, Campanulaceae, Liliaceae, Iridaceae, Agavaraceae, dan Amyrillidaceae.

Fruktan adalah polimer dari fruktosa dengan ukuran molekul yang lebih kecil dari pati. Fruktan umumnya terdiri dari 10-100 unit fruktosa. Oleh sebab itu, fruktan larut dalam air dan umumnya disimpan di dalam vacuola. Setiap molekul fruktan mengandung 1 unit glukosa pada salah satu ujungnya. Inulin merupakan jenis fruktan yang dijumpai pada spesies bukan rumputan yang molekulnya berupa rantai pendek dan tidak bercabang, sedangkan levan dan flein (phlein) terdapat pada rumputan dengan ukuran

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 21

molekul yang lebih besar dan bercabang, di mana cabangnya hanya terdiri dari 1 unit fruktosa.

Sejauh ini baru 2 enzim yang berperan dalam sintesis fruktan yang telah berhasil diidentifikasi, di mana keduanya berperan membentuk rantai utama fruktan. Satu enzim berperan sebagai enzim starter yakni dengan menggabung 2 molekul sukrosa dan kemudian membebaskan I unit glukosanya, sehingga akan terbentuk molekul awal (glu-fru-fru), sementara enzim yang lainnya berperan menambahkan unit fruktosa (dari molekul sukrosa) ke molekul awal tersebut pada ujung fruktosanya. Jadi, untuk setiap penambahan 1 unit fruktosa ke rantai fruktan akan dibebaskan 1 molekul glukosa dari sukrosa yang digunakan. Glukosa yang dibebaskan dikonversi kembali menjadi heksosa fosfat yang selanjutnya digunakan kembali untuk sintesis sukrosa agar proses pembentukan fruktan dapat terus berlanjut.

DAFTAR PUSTAKA

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 22

Bassham JA. 1965. Photosynthesis: The path of carbon. Plant biochemistry, Second Edition. New York: Academic Press. Hal. 875-902.

Brown RH, Hattersley PW. 1989. Leaf anatomy of C3-C4 species as related to evolution of C4 photosynthesis. Plant Physiol 91:1543-1550.

Hawker JS. 1985. Sucrose. Biochemistry of Storeage Carbohydrates in Green Plants. New York: Academic Press. Hal. 48-51.

Laetsch WM. 1974. The C-4 syndrome: A structural analysis. Ann Rev of Plan Physiol25:27-52.

Lakitan, Benyamin. 2012. Dasar-Dasar Fisiologi Tumbuhan. Jakarta: PT Raja Grafindo Persada. Hal. 117-153.

Lehninger AL. 1982. Dasar-Dasar Biokimia Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Hal. 31-40.

Slack CR, Hatch MD. 1967. Comparative Studies on the Activity of Carboxylases and Other Enzymes in Relation to the New Pathway of Photosynthetic Carbon Dioxide Fixation in Tropical Grasses. Biochem. J. 103:660.

Salisbury FB, Ross CW. 1992. Plant Physiology Fourth Edition. Belmont: Wadswoth Publishing Company. Hal. 15-31.

Tugas Bioanorganik “Fotosintesis” Laila Desviana 1314247100 23