Reaksi fotosintesis juga merupakan reaksi redoks. Proses ini berlangsung dalam dua tahap, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.
1. Reaksi Terang/Light Reaction/Reaksi Hill
Reaksi terang merupakan tahap fotosintesis yang memerlukan cahaya. Proses yang berlangsung pada thilakoid ini memerlukan bahan: H2O, akseptor elektron berupa NADP (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat) dan pigmen fotosintetik.
Pigmen fotosintetik yang terdapat dalam thilakoid ada tiga macam:
– klorofil a, disebut juga photosystem I/photosystem 700
– klorofil b, disebut juga photosystem II/photosystem 680
– karotenoid (disebut juga pigmen antena), terdiri dari karoten dan xantofil
Peristiwa yang berlangsung pada reaksi terang adalah sebagai berikut: bila P700 menerima cahaya, elektronnya akan tereksitasi sehingga elektron lepas dari P700 dan diterima oleh feredoxin (akseptor primer). Feredoxin memberikan elektron pada NADP sehingga tereduksi menjadi NADPH. Karena P700 kehilangan elektron ia memperoleh gantinya dari P680.
Bila P680 menerima cahaya, elektronnya tereksitasi sehingga lepas dan diterima oleh akseptor primer. Elektron berjalan dari akseptor primer ke sitokrom dan akhirnya ke P700. Saat elektron berpindah dari sitokrom ke P700 dilepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP. P680 yang kehilangan elektron memperoleh ganti dari dari proses fotolisis air.
Keseluruhan perjalanan elektron tersebut disebut siklus non siklis, karena elektron berjalan dari H2O dan akhirnya diterima NADP. Bentuk lain dari lintasan elektron adalah siklus siklis. Siklus ini bermula dari P700 yang menerima cahaya, elektron yang lepas diterima feredoksin tetapi tidak diberikan ke NADP melainkan ke sitokrom, lalu kembali ke P700. Saat elektron berjalan dari sitokrom ke P700 dihasilkan energi yang digunakan untuk membentuk ATP.Dari keterangan di atas dapat diketahui ada tiga bahan yang dihasilkan saat reaksi terang, yaitu: NADPH, ATP, dan O2. Dua yang pertama digunakan sebagai bahan untuk terlaksananya reaksi gelap.
2. Reaksi Gelap/Dark Reaction/Siklus Calvin-Benson
Reaksi gelap merupakan tahap fotosintesis yang tidak memerlukan cahaya. Proses yang berlangsung pada stroma ini memerlukan bahan yang dibentuk pada reaksi terang yaitu NADPH dan ATP, serta CO2 dari udara. Reaksi dimulai dari pengikatan CO2 oleh ribulosa difosfat (RDP) dan pada akhir siklus dibentuk fosfogliseraldehid (PGAL) yang kemudian diubah menjadi glukosa (lihat bagan di atas).
Silakan melihat proses fotosintesis dengan klik di sini
Fotosintesis pada tumbuhan memiliki bahan yang serupa hanya ada beberapa mekanisme yang berbeda tergantung tumbuhannya. Secara umum ada tiga mekanisme fotosintesis yang berbeda yang terjadi pada tumbuhan C3, C4, dan CAM. Perbedaan ini terdapat pada tahapan reaksi gelap dari fotosintesis tersebut, sedangkan reaksi terangnya memiliki proses yang serupa. Berikut ini adalah perbedaan fotosintesis tumbuhan C3, C4, dan CAM.
Tumbuhan C3
Sebagian besar tumbuhan di bumi merupakan tipe C3, dengan contoh yang paling umum adalah padi, gandum, dan kedelai. Disebut tumbuhan C3 karena enzim rubisco akan menangkap CO2 dan menggabungkannya dengan ribulosa bifosfat menjadi 3-fosfogliserat yang merupakan molekul berkarbon 3. Molekul berkarbon 3 ini selanjutnya akan menjalani serangkaian proses siklus calvin dan melepaskan glukosa sebagai hasilnya.
Pada siang hari tumbuhan C3 akan menutup sebagian stomata untuk mengurangi penguapan. Akibatnya konsentrasi CO2 di dalam jaringan akan berkurang dan konsentrasi O2 hasil fotosintesis akan meningkat. Hal ini akan memicu terjadinya fotorespirasi yang kurang menguntungkan bagi tumbuhan. Fotorespirasi akan mengikat O2 untuk diolah untuk menghasilkan CO2 namun dengan menggunakan ATP yang justru membuang-buang energi tumbuhan. Tumbuhan C3 rentan mengalami fotorespirasi di siang hari yang panas.
Selengkapnya tentang fotorespirasi dapat dibaca pada Pengertian dan Fungsi Fotorespirasi.
 |
| Siklus calvin tumbuhan C3 |
Tumbuhan C4
Tumbuhan yang masuk kategori C4 dalam fotosintesisnya adalah jagung, tebu, dan keluarga rumput-rumputan lainnya. Disebut tumbuhan C4 karena enzim PEP karboksilase akan menangkap CO2 dan menggabungkannya dengan fosfoenolpiruvat menjadi oksaloasetat yang merupakan molekul berkarbon 4. Penangkapan CO2 ini terjadi di mesofil daun, kemudian molekul berkarbon 4 tersebut akan diubah menjadi malat dan menuju sel seludang pembuluh untuk melepaskan CO2. Setelah dilepaskan, CO2 akan menjalani siklus calvin di sel seludang pembuluh tersebut dan menghasilkan karbohidrat.
Patut untuk diperhatikan bahwa reaksi gelap dalam tumbuhan C4 terjadi di 2 sel yang berbeda. Penangkapan CO2 terjadi di sel mesofil daun, sedangkan siklus calvin terjadi di sel seludang pembuluh. Hal ini akan menjadikan konsentrasi CO2 di seludang pembuluh selalu tinggi sehingga mencegah atau mengurangi terjadinya fotorespirasi yang kurang menguntungkan. Tumbuhan C4 umumnya hidup di tempat dengan kondisi cuaca yang panas dengan intensitas cahaya matahari yang tinggi.
 |
| Perbandingan fotosintesis tumbuhan C4 dan CAM |
Tumbuhan CAM
Tumbuhan yang masuk kategori CAM adalah kelompok sukulen (menyimpan air) seperti lidah buaya, kaktus, dan nanas yang umumnya hidup di lingkungan kering. CAM adalah singkatan dari crassulacean acid metabolism, karena proses ini petama dijumpai pada keluarga Crassulaceae. Tumbuhan CAM akan menangkap CO2 dan digabungkan dengan molekul lain menghasilkan asam organik.
Stomata tumbuhan CAM akan terbuka di malam hari dan akan tertutup di siang hari. Ketika malam hari CO2 akan ditangkap untuk membentuk asam organik yang kemudian disimpan hingga pagi tiba. Ketika pagi dan stomata mulai menutup, CO2 akan dilepaskan untuk menjalani siklus calvin menghasilkan karbohidrat.
Tumbuhan C4 dan CAM memiliki kemiripan dimana CO2 yang masuk tidak langsung menjalani siklus calvin tetapi ditangkap untuk membentuk molekul lain terlebih dahulu. Namun pada tumbuhan C4 penangkapan CO2 dan siklus calvin terjadi di sel yang berbeda, sedangkan pada tumbuhan CAM penangkapan CO2 dan siklus calvin terjadi pada waktu yang berbeda.
Kemosintesis merupakan contoh reaksi anabolisme selain fotosintesis. Kemosintesis adalah konversi biologis satu molekul karbon atau lebih (biasanya karbon dioksida atau metana), senyawa nitrogen dan sumber makanan menjadi senyawa organik dengan menggunakan oksidasi molekul anorganik (contohnya gas hidrogen, hidrogen sulfida) atau metana sebagai sumber energi, daripada cahaya matahari, seperti pada fotosintesis. Dalam penjelasan yang lebih sederhana, kemosintesis adalah anabolisme yang menggunakan energi kimia. Energi kimia yang digunakan pada reaksi ini adalah energi yang dihasilkan dari suatu reaksi kimia, yaitu reaksi oksidasi.
Organisme autotrof yang melakukan kemosintesis disebut kemoautotrof. Kemampuan melakukan kemosintesis hanya dimiliki oleh beberapa jenis mikroorganisme, misalnya bakteri belerang nonfotosintetik (Thiobacillus) dan bakteri nitrogen (Nitrosomonas dan Nitrosococcus). Banyak mikroorganisme di daerah laut dalam menggunakan kemosintesis untuk memproduksi biomassa dari satu molekul karbon. Dua kategori dapat dibedakan. Pertama, di tempat yang jarang tersedia molekul hidrogen, energi yang tersedia dari reaksi antara CO2 dan H2 (yang mengawali produksi metana, CH4) dapat menjadi cukup besar untuk menjalankan produksi biomassa. Kemungkinan lain, dalam banyak lingkungan laut, energi untuk kemosintesis didapat dari reaksi antara O2 dan substansi seperti hidrogen sulfida atau amonia. Pada kasus kedua, mikroorganisme kemosintetik bergantung pada fotosintesis yang berlangsung di tempat lain dan memproduksi O2 yang mereka butuhkan.
BAKTERI NITRIFIKASI
Nitrifikasi adalah suatu proses oksidasi enzimatik yakni perubahan senyawa ammonium menjadi senyawa nitrat yang dilakukan oleh bakteri-bakteri tertentu.
Bakteri nitrifikasi sangat sensitive terhadap lingkungan mereka, lebih dari heterotrof pada umumnya. Akibatnya kondisi tanah mempengaruhi kemampuan tumbuh dari nitrifikasi yang membutuhkan perhatian tertentu.
Proses ini berlangsug dalam dua tahap dan masing-masing dilakukan oleh grup bakteri yang berbeda. Tahap pertama adalah proses oksidasi ammonium menjadi nitrit yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrosomonas dan tahap kedua adalah proses oksidasi enzimatik nitrit menjadi nitrat yang dilaksanakan oleh bakteri Nitrobakter
Beberapa bakteri nitrifikasi antara lain : bakteri Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter, dan Bactoderma. Nitrosococcus dan Nitrosomonas (bakteri nitrat) mengoksidasi amonia menjadi nitrit.
Bactoderma dan nitrobacter (bakteri nitrat) mengoksidasi nitrit menjadi nitrat dalam keadaan aerob.
BAKTERI BELERANG
Bakteri belerang mengoksidasikan H2S untuk memperoleh energi. Selanjutnya energi yang diperoleh digunakan untuk melakukan asimilasi Proses penyusunan bahan organik itu menggunakan energi pemecahan senyawa kimia, maka disebut kemosintesis.Perhatikan reaksi berikut!
Energi yang diperoleh lebih kecil jumlahnya daripada yang dihasilkan dari cahaya. Energi tersebut digunakan untuk fiksasi CO2
menjadi karbohidrat. Dengan demikian, reaksi selengkapnya adalah:
BAKTERI BESI
Beberapa bakteri besi pada umumnya,misalnya Leptothrix,Crenothrix,Cladothrix,Galionella,spiruphyllum,dan Ferrobacillus mengoksidasi ion ferro menjadi ion ferri.
BAKTERI HIDROGEN
Salah satu jenis bakteri hidrogen,yaitu Bacillus panctotropjus dapat tumbuh dalam medium anorganik yang mengandung hidrogen , CO2, dan O2 serta dapat mengoksidasi hidrogen dengan membebaskan energi . Energi ini dapat digunakan dalam proses kemosintesis berikut
BAKTERI METANA
Methanonas merupakan salah satu contoh bakteri metana yang metana yang mampu mengoksidasi metana menjadi CO2 . Metana menyediakan karbon dan energi bagi bakteri aerob ini . Perhatikan reaksi ini !
Energi yang diperoleh pada kemosintesis digunakan untuk proses fosforilasi(proses penambahan gugus fosfat pada protein) dan reduksi CO2 menjadi karbohidrat
Perbedaan antara fotosintesis dengan kemosintesis dapat dilihat dalam tabel berikut :
