Reaksi Gelap Fotosintesis

Fotosintesis adalah peristiwa penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbon dioksida) dengan pertolongan energi cahaya. Fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan dan makhluk hidup yang mempunyai klorofil. Komponen-komponen yang diperlukan dalam fotosintesis adalah CO₂, H₂O, cahaya dan klorofil. Karbon dioksida diambil dari udara, H₂O diambil dari tanah. Peranan klorofil dalam fotosintesis adalah untuk menyerap cahaya dan sumber elektron. Cahaya yang paling efektif digunakan untuk mendapatkan hasil fotosintesis yang maksimum adalah cahaya merah dan biru. Proses pembentukan karbohidrat ini berlangsung secara bertingkat. Zat yang stabil yang mula-mula terbentuk adalah gula sederhana. Kelebihan molekul-molekul gula sederhana akan disimpan dalam bentuk zat tepung (pati). Melalui proses biosintesis dengan melepaskan nH₂O. Untuk pembentukan 1 gram gula ternyata sama dengan jumlah energi yang diperlukan dalam pembakaran 1 gram gula yaitu 675 kilo kalori. Inilah jumlah energi yang diperlukan dalam fotosintesis (Siregar, 2010).

 

Gambar 1. Reaksi Terang dan Gelap pada Fotosintesis

Secara singkat persamaan reaksi fotosintesis yang terjadi di alam dituliskan sebagai berikut (Siregar, 2010):

cahaya matahari
6CO₂+12H₂O ———> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
klorofil

Blackman mengemukakan adanya reaksi gelap yang terjadi di stroma, merupakan matriks kloroplas tak berwarna yang mengandung grana. Reaksi gelap tidak memerlukan cahaya. Dalam reaksi gelap, ATP dan NADPH yang terbentuk pada reaksi terang digunakan untuk pembentukan glukosa dari karbon dioksida (Siregar, 2010). 

Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:

6O₂ + ATP + NADPH —> (CH₂O)₆ + 6H₂O

Reaksi gelap hanya berlangsung jika tersedia energi kimia (ATP dan NADPH) serta proton (H+) yang dihasilkan oleh reaksi terang. Tanpa didahului reaksi terang, reaksi gelap tidak akan berlangsung. Proses pembentukan karbohidrat terutama glukosa dilakukan melalui beberapa langkah. Di dalam stroma terdapat senyawa ribulosa bifosfat, suatu senyawa dengan 5 atom C. ribulosa bifosfat mengikat CO₂ sehingga terbentuk senyawa 6C, tetapi tidak stabil sehingga terpecah menjadi 2 molekul masing-masing dengan 3 atom (asam fosfogliserat). Asam fosfogliserat diubah nenjadi gliseraldehid. Gliseraldehid mengikat fosfat membentuk gliseraldehid 3 fosfat, yang kemudian diubah menjadi dihidroksi aseton fosfat. Senyawa ini berikatan dengan gliseraldehid 3 fosfat membentuk fruktosa 1.6 difosfat, kemudian akhirnya akan membentuk glukosa. Sebagian dari gula triosa fosfat diubah kembali menjadi ribulose difosfat sehingga membentuk siklus yang dinamakan siklus Calvin (untuk menghargai
penemunya, yaitu Melvin Calvin) (Siregar, 2010).

Pada tumbuhan tingkat tinggi respirasi gelap dan fotorespiratori dihasilkan dari mitokondria. Bagaimanapun, respirasi terjadi di dalam kloroplas pada alga uniseluler dan tumbuhan tingkat tinggi. Regulasi pada respirasi gelap membutuhkan pertumbuhan yang seimbang dengan asimilasi dan menjaga penipisan metabolit dan siklus yang sia-sia. Respirasi gelap merupakan pengkonsumsian karbohidrat dan komponen lain untuk memproduksi energi dan substrat-substrat karbon (asam organik) untuk proses sintetik seluler. Proses mengkonsumsi O₂ dan memproduksi CO₂, H₂O, pati dan gula bertujuan untuk mendegradasi piruvat melalui proses glikolisis sehingga menghasilkan ATP. Piruvat mengubah asetil-CoA dengan enzim piruvat dehidrogenase, hal ini terjadi di mitokondria. Asetil-CoA masuk ke dalam TCA cycle dalam mitokondria, dimana asam organik (sitrat, fumarat) mengalami metabolism sehingga menghasilkan O₂ dan membentuk NADH. NADH teroksidasi oleh rantai transport elektron mitokondria dengan O₂ sebagai pangkal aseptor elektron  transport elektron digabung untuk fosforilasi dari ADP menjadi ATP (Lawlor, 2001).   

Cahaya yang rendah pada umumnya akan mengurangi laju fotosintesis, karena luas daun meningkat dan frekuensi stomata berkurang. Daun tanaman cenderung memiliki cahaya yang rendah, ketika mengalami baik pada kondisi cahaya rendah maupun normal. Hal ini mungkin menjadi alas an untuk laju fotosintesis rendah pada musim hujan dan pada saat tanaman mulai tumbuh (Hemantaranjan, 1999).

Dengan terbentuknya ATP dan NADPH maka tumbuhan hijau siap mensistesis karbohidrat. Reaksi ini berlangsung di stroma kloroplas. Reaksi ini dinamakan reaksi gelap dikarenakan reaksi ini walaupun terjadi pada siang hari (suasana terang) tetapi tidak peka terhadap cahaya matahari. Didalam reaksi ini terjadi pengikatan CO­₂.

1.        Hasil pengikatan CO₂ pertama kali yang stabil pada fotosintesis

Penelitian ini sebenarnya untuk mengetahui molekul apa yang sebenarnya mengikat CO₂ dalam fotosintesis. Penelitian ini pertama kali dilakukan oleh M.Calvin, menggunakan kultur ganggang Chlorella dan 14CO₂. Calvin beranggapan bila ke dalam kultur diberikan 14CO₂ yang cukup dan penyinaran dengan waktu yang lama maka akan dihasilkan senyawa-senyawa yang cukup banyak, dan sebaliknya bila diberikan penyinaran dengan waktu yang sangat pendek, maka akan dihasilkan satu macam senyawa saja dan stabil. Ternyata penyinaran selama 5 detik hanya terbentuk satu macam senyawa yang stabil yaitu PGA dan RuBP (Ribulosa Biphosphate).

            Hasil penelitian menunjukkan bahwa dalam keadaan gelap kadar RuBP turunb dan kasar PGA naik. Hal ini berarti selama masih ada RuBP pengikatan CO₂ akan berjalan terus. Jadi RuBP adalah pengikat CO₂ pada fotosintesis. Dalam perkembangan selanjutnya dikenal tiga cara pengikatan CO₂, yakni jalur C-3 (jalur Calvin), jalur C-4, dan jalur CAM (Crassulacean Acid Metabolism).

2.        Jalur C-3

Jalur C-3 dinamakan juga jalur Calvin, hamper 80% jenis tumbuhan melakukan fotosintesis menggunakan jalur C-3 untuk mengikat CO₂^-nya, sehingga jalur ini merupakan jalur yang dominan. Di dalam jalur ini CO₂ diikat oleh RuBP menjadi 2 molekul 3-PGA, suatu senyawa dengan 3 atom C.

Reaksi ini dikatalisir oleh enzim RuBP-karboksilase yang akan bekerja dengan baik apabila kadar CO₂ yang diikat relative tingi. Senyawa 3-PGA bukan senyawa yang bertenaga tinggi, bahkan tingkat tenaga 2 molekul PGA itu lebih rendah dari 1 molekul RuBP. Karena itu reaksi pengikatan ini berjalan spontan, tanpa menggunakan ATP hasil reaksi terang.

3.        Jalur C-4

            Pada tahun 1965 Kortschack dan Burr dari Hawaii menemukan pada tebu (Saccharum officinarum) bahwa senyawa stabil yang pertama dibentuk dalam pengikatan CO₂ adalah asam malat, bukan 3-PGA. Penemuan ini didukung oleh Hatch dan Slack kemudian menyusun daur C-4 dalam pengikatan CO₂ pada tumbuhan membentuk asam malat atau asam aspartat sebagai senyawa stabil yang pertama. Daur ini kemudian dikenal dengan nama daur Hatch dan Slack. Pada tumbuhan yang menggunakan jalur C-4 ini, CO₂ udara mula-mula diikat oleh asamfosfoenolpiruvat (PEP), dengan bantuan enzim PEP-karboksilase menjadi asam oksaloasetat (OAA) yang mempunyai 4 atom C.

            Asam ini kemudian diubah menjadi asam malat atau asam aspartat bila bereaksi dengan NH­₃. Reaksi ini berlangsung dalam kloroplas sel-sel mesofil daun. Asam malat atau asam aspartat yang dibentuk kemudian akan diangkut ke dalam sel-sel seludang berkas pengangkut, yaitu sel-sel parenkim yang mengandung kloroplas dan mengelilingi berkas pengangkutan daun. Di dalam sitoplasmanya asam malat akan mengalami dekarboksilasi menjadi CO₂ dan asam piruvat. CO₂ kemudian dibawa masuk ke dalam kloroplas dan diikat dalam RuBP menjadi 3-PGA, kemudian direduksi melalui daur Calvin. Asam piruvat yang terbentuk akan diangkut kembali ke sel-sel mesofil untuk diubah menjadi PEP dengan menggunakan tenaga dari ATP.

            Golongan tumbuhan yang menggunakan jalur C-4 disebut tumbuhan C-4, dan mempunyai struktur anatomi yang khas, yaitu adanya sel-sel seludang berkas pengangkut. Struktur anatomi demikian ini disebut Kranz anatomy. Pemisahan tempat pengikatan CO₂ dan tempat reduksinya ini sangat menguntungkan bagi tumbuhan C-4 karena enzim PEP-karboksilase mempunyai daya untuk menarik CO₂ lebih tinggi daripada RuBP-karboksilase, sehingga PEP-karboksilase masih dapat mengikat CO_2, walaupun kadar CO₂ di dalam daun lebih rendah daripada di udara. Dengan sifat PEP-karboksilase yang demikian berarti tumbuhan C-4 masih dapat mengikat CO₂ dengan stoma setengah menutup untuk mengurangi adanya transpirasi, sehingga lebih efisien dalam penggunaan air. Di samping itu pemecahan asam malat di dalam sel seludang berkas pengangkut menyebabkan kadar CO₂ dalam kloroplas relative tinggi sehingga daur Calvin dapat lebih giat.

4.        Jalur CAM

CAM adalah Crassulacean Acid Metabolism, yaitu sistem metabolism asam pada tumbuhan Crassulaceae. Tumbuhan ini kebanyakan tumbuh di daerah kering atau epifit sehingga umumnya berdaging untuk menyimpan air dan stomanya menutup pada siang hari untuk mengurangi transpirasi. Karena stomanya membuka pada malam hari, maka pengikatan CO₂ juga dilakukan pada malam hari. Sistim pengikatan CO₂-nya hampir sama dengan tanaman C-4, namun dalam jalur CAM ini tidak ada pemisahan antara tempat pengikatan CO₂ dengan tempat reduksinya. Semuanya berlangsung di dalam sel-sel mesofl dan pemisahan hanya terjadi dalam hal waktu pengikatan CO_2­ di udara. Pada malam hari CO₂ diikat oleh PEP menjadi OAA (asam oksalo asetat), kemudian diubah menjadi asam malat.

Asam malat ini akan disimpan dalam vakuola sel, karena penimbunan asam di dalam plasma sel dapat menghambat metabolisme sel. Baru pada keesokan harinyaasam malat akan dibawa masuk kedalam kloroplas, dan diikat serta direduksi melalui daur Calvin.

DAFTAR PUSTAKA

Bidwell, R.G.S. 1979. Plant Physiology. Mac Millan Publishing Co. Inc. New York.

Hemantaranjan, A., 1999. Advances in Plant Physiology Volume 2. Pawan Kamar. India.

Lawlor,D.W., 2001. Photosynthesis 3^rd Edition. Bros Scientific Publishers Limited. Oxford.

Santosa. 1994. Anatomi dan Fisiologi Tumbuhan. Ditjen Dikdasmen Depdikbud. Jakarta.

Siregar, A., 2010. Anabolisme (Fotosintesis dan Kemosintesis). http://chem-is-try.org. Tanggal akses 1 Maret 2010.

Thorpe, N.O. 1984. Cell Biology. John Wilwey and Sons. New York.