Advertisement

Bukti Adanya Reaksi ‘Terang’ dan ‘Gelap’, Bukti nyata pertama bahwa fotosintesis bukan merupakan proses sederhana, melainkan terjadi sekurang-kurangnya melalui dua tahap berbeda, diperoleh pada awal abad ini oleh F.F. Blackman (yang telah disebut dalam bab ini sehubungan dengan prinsipnya mengenai faktor pembatas). Ketika sedang mempelajari kecepatan fotosintesis pada berbagai keadaan konsentrasi karbon dioksida, intensitas cahaya dan suhu, Blackman melihat bahwa jika intensitas cahaya rendah tetapi konsentrasi karbon dioksida tinggi, Q 10 fotosintesis kuranglebih 1 (yaitu kecepatannya praktis tak bergantung pada suhu), sedangkan jika intensitas cahaya dan konsentrasi karbon dioksida keduanya tinggi, Q10-nya kurang-lebih 2 (lihat   17.7). Karena reaksi fotokimia secara khas memiliki Qio = 1, dan hanya reaksi kimia yang memiliki Q10 sekitar 2, maka Blackman menafsirkan perbedaan kepekaan terhadap suhu ini sebagai petunjuk bahwa pada keadaan intensitas cahaya rendah, kecepatan fotosintesis dibatasi oleh reaksi fotokimia, sedangkan pada keadaan intensitas cahaya tinggi, kecepatan itu dibatasi oleh reaksi kimia yang murni. Berdasarkan hal ini, is berpendapat bahwa fotosintesis memiliki dua tahap berbeda, tahap yang peka cahaya tetapi tidak bergantung pada suhu (yang disebutnya reaksi ‘terang’)

Dengan istilah fosforilasi fotosintesis dimaksudkan bahwa sel-sel hijau dilengkapi dengan sebuah sumber energi kimia untuk menggalakkan reaksi yang memerlukan energi.

Advertisement

Juga telah diketahui bahwa zat kimia dalam kloroplas yang merupakan akseptor terakhir elektron dari pemecahan molekul air [yaitu rekan alami (natural counterpart) ion feri pada reaksi Hill] adalah NADP, nikotinamida-adenindinukleotida-fosfat. NADP tereduksi adalah pembawa elektron yang terbentuk dalam tahap fotokimia, dan seterusnya digunakan untuk mereduksi karbon dioksida pada tahap kimia. Jika kloroplas yang disinari disuspensikan dalam medium yang cocok berisi NADP, ADP, dan fosfat anorganik, campuran ini dapat menggunakan energi cahaya untuk mereduksi karbon dioksida menjadi gula. Dengan perkataan lain, kini dapat disusun duplikat seluruh proses fotosintesis di luar sel hidup.

Walaupun tidak diragukan lagi bahwa ATP dan NADP tereduksi adalah hasil reduksi yang penting dari tahap fotokimia, tahap yang terjadi antara absoprsi energi cahaya oleh klorofil dan pembentukan kedua hasil reaksi ini belum selengkapnya diteliti. Urutan kejadian-kejadian meliputi pula fotoeksitasi pada molekul klorofil.

Elektron yang beredar pada orbit normalnya di sekitar inti sebuah atom disebut berada pada keadaan tenang (ground state). Masukan energi cahaya dapat memaksa sebuah elektron berpindah dari orbit normalnya ke orbit baru pada tingkat energi lebih tinggi. proses ini dikenal dengan istilah fotoeksitasi (  17.12). Namun, sebuah elektron yang tereksitasi, karena memiliki keadaan energi tinggi, merupakan elektron yang berada dalam keadaan tidak stabil dan memiliki kecenderungan untuk kembali secepatnya (dalam waktu sepersekian detik) ke orbit asalnya, melepaskan energi fotoeksitasinya sewaktu kembali ke keadaan tenangnya. J ika sebuah molekul klorofil menyerap energi cahaya selama fotosintesis, elektronnya akan ditingkatkan ke tingkat energi tinggi sedemikian rupa sehingga terlepas dari molekul klorofil, membuat molekul itu bermuatan positif (Klr > Kir+ + Elektron itu langsung ditangkap oleh akseptor elektron yang mengandung besi, yang disebut feredoksin, yang karena itu menjadi tereduksi, dan reduksi ini mengawali konversi cahaya menjadi energi kimia. Segera setelah feredoksin tereduksi, langsung dioksidasi dengan cara melepaskan elektronnya ke akseptor elektron lain. Sepanjang sebuah lintasan, elektron yang berenergi tinggi berjalan melalui sebuah seri pembawa elektron (termasuk sitokrom), lambat-laun kehilangan sebagi-an energinya dalam proses ini, kembali ke molekul klorofil yang kekurangan elektron, yang kemudian berubah menjadi berada dalam keadaan tenang (Kir+ + Klr). Waktu elektron mengalir ke bawah melalui rantai pembawa elektron, sebagian energi fotosintesis diawetkan dengan cara penggabungan reaksi-reaksi eksergonik oksidasi-reduksi dengan pembentukan ATP endergonik, persis seperti terjadi pada rantai respirasi pengangkutan elektron (lihat halaman 275). Melalui lintasan lain, elektron yang hilang oleh feredoksin digunakan untuk mereduksi NADP± menjadi NADPH. Nasib elektron yang tereksitasi oleh cahaya sepanjang lintasan ini memerlukan sumber alternatif elektron untuk mengubah ion klorofil kembali ke keadaan tenang, sebab keadaan ini tak pat dibangun kembali dengan elektron yang sama yang mula-mula dikeluarkan dari molekul yang sama. Sumber iLternatif ini disediakan oleh penguraian air secara fotokimia, yang secara simultan menghasilkan oksigen dan tambahan ATP. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap fotokimia btosintesis dapat diringkas.

Bagaimana cara CO2 bergabung menjadi molekul organik telah diperoleh dari penggunaan isotop 14C radioaktif yang tahan lama sebagai cara untuk penelusuran jalur karbon dalam fotosintesis, yang dipadukan dengan teknik kromatografi kertas dan autoradiografi.

Teknik kombinasi telah dikembangkan oleh Calvin dan sejawatnya di Universitas Kalifornia, dan seperti halnya banyak kemajuan yang nyata dalam ilmu pengetahuan, percobaan-percobaan itu pada prinsipnya sederhana saja. Karena lebih mudah menggunakan organisme bersel tunggal daripada tumbuhan berbunga untuk penelitian fotosintesis, percobaan-percobaan terdahulu dilaksanakan dengan menggunakan ganggang hijau bersel tunggal, seperti Chlorella dan Scenedesmus. Namun, penelitian kemudian dengan tumbuhan tinggi menunjukkan bahwa jalur reduksi karbon dioksida pada dasarnya sama pada sebagian besar tumbuhan hijau. Tanaman percobaan dibiarkan berfotosintesis untuk waktu secukupnya pada atmosfer yang mengandung karbon dioksida diperkaya dengan 14C radioaktif. Karbon radioaktif secara kimia berkelakuan seperti isotop biasa 12C akan tetapi dapat mudah dibedakan dari ‘2C pada analisis yang berdasarkan radioaktivitasnya. Selama fotosintesis 14C pada karbon dioksida yang berlabel tergabung ke dalam senyawa perantara pertama, lalu ke perantara berikutnya, dan seterusnya sepanjang keseluruhan proses. Reaksi dapat dihentikan tiap saat dengan jalan merendam contoh tanaman dalam alkohol mendidih, yang akan serentak menghentikan metabolisme, dan mengekstrak hasil fotosintesis yang telah terbentuk. Kemudian dibuat kromatogram dari ekstrak alkohol; berbagai senyawa yang ada dalam ekstrak itu dapat diidentifikasi dari letak masing-masing pada kromatogram, dan senyawa yang memperlihatkan keradioaktifan dapat dideteksi dengan cara memotret kromatogram dengan film yang peka. Perlu diadakan percobaan kontrol dengan bahan tanaman dalam keadaan gelap, sebab karbon dioksida dikenal dapat diikat oleh berbagai reaksi biokimia selain oleh reaksi yang bergantung pada cahaya.

Dari hasil berbagai percobaan ternyata bahwa jika fotosintesis di atmosfer yang berisi karbon dioksida berlabel dilaksanakan dalam jangka waktu 5 menit atau lebih, maka keradioaktifannya akan tampak pada berbagai senyawa, termasuk pati dan gula yang dapat larut, yang sering merupakan basil akhir proses ini. Walaupun demikian, dengan reduksi progresif pada waktu yang memungkinkan fotosintesis menambat 14CO2, jumlah senyawa berlabel akan berkurang. Untuk sebagian besar turn buhan jika jangka waktu penambatan 14CO2 hanya 2 detik, kira-kira 90 persen radioaktif berada dalam senyawa asam fosfogliserat dengan 3-C. Senyawa ini tidak menjadi berlabel sampai tingkat yang berarti jika karbon dioksida radioaktif diberikan kepada tumbuhan dalam keadaan gelap, oleh karena itu pada kebanyakan tumbuhan senyawa ini dianggap sebagai senyawa perantara stabil pertama yang terbentuk dalam fotosintesis. Asam fosfogliserat mempunyai rumus bangun sebagai berikut, dengan ® sebagai singkatan untuk menyatakan gugus fosfat. Karbon radioaktif pada asam fosfogliserat terletak pada ujung zugus asam, —*COOH, yang mungkin memberi kesan bahwa -eaksi awal penambatan karbon dioksida ialah penempelan iarbon dioksida pada akseptor karbon dioksida yang sudah Ida sebelumnya yang berisi dua atom karbon. Walaupun .7:emikian ternyata bahwa akseptor karbon dioksida itu ialah senyawa 5-C ribulosa difosfat, yang karena memperoleh karbon dioksida akan berubah menjadi senyawa 6-C yang Adak stabil. Senyawa perantara yang tidak stabil ini lalu pecah menjadi dua molekul senyawa 3-C, yaitu asam fosfogliserat. ika fotosintesis dibiarkan berlangsung jauh lebih dari 2 detik, ‘,carbon yang radioaktif juga akan ada pada 2 atom karbon lain dari molekul asam fosfogliserat itu. Hal ini memberi kesan bahwa molekul akseptor yaitu ribulosa difosfat, tentu terbentuk dari karbon dioksida yang telah difiksasi itu. Oleh karena itu, terbukti bahwa karbon dioksida dilibatkan ke dalam daur ‘karboksilasi’, pada daur ini molekul akseptor karbon dioksida awal selalu diperbarui.

 

Advertisement