Mengenal Reaksi Terang Fotosintesis

Ilustrasi terjadinya reaksi terang/cahaya pada membran tilakoid kloroplas. Sumber: Wisnubroto (2022)

Fotosintesis merupakan proses vital bagi kehidupan di bumi, yang memungkinkan tumbuhan hijau, alga, dan beberapa bakteri untuk menghasilkan makanan dari energi cahaya matahari. Proses ini dapat dibagi menjadi dua tahap utama, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap (siklus Calvin). Artikel ini akan fokus pada reaksi terang fotosintesis, yang merupakan langkah awal dalam proses fotosintesis dan berlangsung di membran tilakoid kloroplas.

Apa itu Reaksi Terang?

Reaksi terang adalah tahap fotosintesis yang bergantung secara langsung pada cahaya. Reaksi ini terjadi di membran tilakoid dalam kloroplas dan melibatkan konversi energi cahaya menjadi energi kimia dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat) dan NADPH (nikotinamida adenina dinukleotida fosfat). Kedua molekul ini kemudian digunakan dalam reaksi gelap untuk mengubah karbon dioksida menjadi glukosa.

Komponen Utama dalam Reaksi Terang

1. Fotosistem II (Photosystem II/PSII)

Fotosistem II adalah kompleks protein dan pigmen yang menyerap cahaya pada panjang gelombang sekitar 680 nm (dikenal sebagai P680). Ketika PSII menyerap cahaya, elektron dalam molekul klorofil menjadi tereksitasi dan dipindahkan ke akseptor elektron pertama.

2. Transport Elektron

Elektron yang tereksitasi dari PSII bergerak melalui rantai transport elektron (electron transport chain/ETC) menuju Fotosistem I (PSI). Selama perjalanan ini, energi dari elektron digunakan untuk memompa ion hidrogen (H⁺) ke dalam lumen tilakoid (bagian dalam tilakoid), menciptakan gradien proton.

3. Fotosistem I (Photosystem I/PSI)

Fotosistem I menyerap cahaya pada panjang gelombang sekitar 700 nm (dikenal sebagai P700). Ketika PSI menyerap cahaya, elektron dari PSII, yang sudah berada di tingkat energi yang lebih rendah setelah perjalanan melalui ETC, diangkat ke tingkat energi yang lebih tinggi lagi.

4. ATP Sintase

Gradien proton yang terbentuk di lumen tilakoid digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan ATP dari ADP dan Pi (fosfat anorganik). Proses ini dikenal sebagai fotofosforilasi.

5. Produksi NADPH

Elektron dari PSI akhirnya digunakan untuk mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH. Reaksi ini memerlukan dua elektron dan satu proton, dan NADPH yang dihasilkan akan digunakan dalam siklus Calvin.

Langkah-Langkah Reaksi Terang

1. Penyerapan Cahaya oleh Fotosistem II

Cahaya matahari diserap oleh pigmen klorofil di PSII, menyebabkan eksitasi elektron. Elektron yang tereksitasi ditransfer ke akseptor elektron primer di PSII.

2. Fotolisis Air

Untuk menggantikan elektron yang hilang, molekul air dipecah menjadi oksigen, proton, dan elektron melalui proses yang disebut fotolisis. Reaksi ini penting karena menyediakan elektron untuk PSII dan menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan. Adapun oksidasi air menjadi oksigen dalam PSII dikatalis oleh suatu struktur redoks-aktif yang mengandung empat ion mangan (Mn), satu ion kalsium (Ca) , dan satu ion klor (Cl) dengan melepaskan proton (H+) ke dalam lumen tilakoid.

3. Transport Elektron dari PSII ke PSI

Elektron dari PSII bergerak melalui rantai transport elektron, yang melibatkan beberapa kompleks protein, termasuk plastokuinon (PQ), kompleks sitokrom b6f, dan plastosianin (PC). Energi dari elektron digunakan untuk memompa proton ke dalam lumen tilakoid.

4. Penyerapan Cahaya oleh Fotosistem I

Cahaya diserap oleh PSI, mengangkat elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron ini kemudian dipindahkan ke akseptor elektron primer di PSI.

5. Produksi NADPH

Elektron dari PSI bergerak melalui protein feredoksin dan digunakan untuk mereduksi NADP⁺ menjadi NADPH.

6. Sintesis ATP

Gradien proton yang tercipta digunakan oleh ATP sintase untuk memfosforilasi ADP menjadi ATP. Proton mengalir kembali ke stroma melalui ATP sintase, yang memicu produksi ATP.

PSII dan PSI memungkinkan dapat berada pada lokasi yang berbeda dalam membran tilakoid, namun kompleks sitokrom b6f terdapat pada kedua tempat, yaitu dalam grana maupun stroma dimana PSI berada. Keberadaan ini memungkinkan dalam kondisi tertentu terjadi lintasan elektron dari P700 kemudian melewati kompleks sitokrom b6f dan kembali ke P700. Kejadian ini disebut sebagai lintasan elektron siklik. Apabila hal ini terjadi maka elektron tidak diterima oleh NADP+, tetapi kembali lagi ke P700 sehingga NADPH tidak akan terbentuk. Menurut Yin & Struik (2018), lintasan elektron siklik digunakan oleh tumbuhan C4 dalam mekanisme pemekatan karbon dioksida karena memasok banyak ATP guna meregenerasi fosfoenolpiruvat (PEP) yang merupakan akseptor penting karbon dioksida.

Secara umum, perbedaan antara lintasan elektron non-siklik dan elektron siklik antara lain: 1) Lintasan elektron non-siklik melibatkan PSI dan PSII, sedangkan lintasan elektron siklik hanya melibatkan PSI; 2) Lintasan elektron non-siklik menghasilkan ATP, NADPH, dan oksigen. Sementara itu, lintasan elektron siklik hanya menghasilkan ATP; 3) Sifat aliran elektron pada lintasan elektron siklik adalah membentuk siklus, sedangkan sifat aliran elektron pada lintasan elektron non-siklik adalah linear; 4) Pada lintasan elektron siklik tidak terjadi fotolisis air, sedangkan pada lintasan elektron non-siklik terjadi fotolisis air untuk menggantikan elektron di PSII.

Peran Reaksi Terang

Reaksi terang sangat penting karena menghasilkan ATP dan NADPH, dua molekul energi yang diperlukan dalam reaksi gelap untuk sintesis glukosa dari karbon dioksida. Selain itu, reaksi terang menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan, yang dilepaskan ke atmosfer dan sangat penting bagi kehidupan aerobik di bumi.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Reaksi Terang

Beberapa faktor dapat mempengaruhi efisiensi reaksi terang fotosintesis, antara lain:

1. Intensitas Cahaya

Semakin tinggi intensitas cahaya, semakin banyak energi yang tersedia untuk mengangkat elektron, yang dapat meningkatkan laju reaksi terang hingga titik jenuh tertentu.

2. Ketersediaan Air

Air adalah sumber elektron dalam reaksi terang. Kekurangan air dapat menghambat proses fotolisis dan, dengan demikian, mengurangi efisiensi reaksi terang.

3. Suhu

Enzim-enzim yang terlibat dalam reaksi terang memiliki kisaran suhu optimal. Suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi dapat mengurangi aktivitas enzimatik dan, dengan demikian, efisiensi fotosintesis.

Penutup

Reaksi terang fotosintesis adalah tahap yang sangat penting dalam konversi energi cahaya matahari menjadi energi kimia yang dapat digunakan oleh organisme hidup. Melalui serangkaian kompleks protein dan reaksi kimia, tumbuhan dapat menghasilkan ATP dan NADPH, yang kemudian digunakan dalam reaksi gelap untuk sintesis glukosa. Pemahaman yang mendalam tentang reaksi terang tidak hanya penting bagi biologi dan ekologi, tetapi juga untuk aplikasi praktis dalam bidang pertanian dan energi terbarukan.