Miskonsepsi "Reaksi Gelap" Fotosintesis

Ilustrasi proses fiksasi karbon dalam "reaksi gelap" atau siklus Calvin fotosintesis. Sumber: Wisnubroto (2022)

Kesalahpahaman umum yang terus bertahan dalam teks pengantar biologi tingkat sekolah menengah dan perguruan tinggi adalah bahwa ''reaksi gelap'' dari siklus Calvin sebenarnya terjadi dalam kegelapan. Realitas dari situasi ini adalah bahwa beberapa enzim dalam apa yang disebut sebagai ''reaksi gelap'', pada kenyataannya secara tidak langsung bergantung pada kehadiran cahaya untuk aktivitasnya.

Secara sederhana, fotosintesis merupakan suatu proses pemanfaatan energi matahari untuk membentuk senyawa karbohidrat dari senyawa sederhana yang ada di alam, yaitu gas karbon dioksida dan air. Dalam proses pembentukan ini diperlukan energi yang pada awalnya berasal dari energi cahaya dari matahari. Akan tetapi, pemanfaatan energi ini memerlukan serangkaian proses sehingga energi yang ada dalam bentuk gelombang elektromagetik tersebut dapat diubah menjadi energi kimia (ATP dan NADPH) yang dikenal dengan reaksi terang/cahaya.

Seperti namanya, reaksi terang atau cahaya ini merupakan reaksi yang memerlukan cahaya dan berfungsi mengubah energi matahari mejadi daya asimilasi berupa ATP dan NADPH (terjadi pada membran tilakoid kloroplas). Setelah energi dalam bentuk ATP dan NADPH dihasilkan dalam rangkaian transport elektron pada reaksi terang, selanjutnya sebagian besar energi tersebut akan digunakan untuk mereduksi gas karbon dioksida dari atmosfer menjadi molekul organik berupa karbohidrat (glukosa) dalam suatu proses yang sering disebut "reaksi gelap". Karbohidrat ini terakumulasi di dalam sel tumbuhan. Ketika tumbuhan berada dalam keadaan gelap dan tidak dapat melakukan fotosintesis, simpanan karbohidrat digunakan sebagai sumber energi bagi tumbuhan.

Adapun reaksi pembentukan karbohidrat ini terjadi di dalam stroma pada kloroplas melalui rangkaian proses yang membentuk suatu siklus yang disebut sebagai siklus reduksi karbon fotosintesis/siklus Calvin/siklus Calvin–Benson–Bassham (Calvin-BensonBassham cycle/CBB cycle) yang dinamakan berdasarkan penemu yang mengungkap rangkaian reaksi ini, yaitu Melvin Ellis Calvin, Andrew Alm Benson, dan James Alan Bassham pada tahun 1950 di Universitas California, Berkeley, Amerika Serikat. Siklus Calvin merupakan lintasan pembentukan karbohidrat yang utama dalam tumbuhan. Senyawa stabil yang terbentuk pertama kali adalah senyawa berkarbon 3, yaitu asam fosfogliserat (PGA), sehingga siklus ini juga disebut siklus C3. Namun demikian, dalam proses pengikatan karbon dioksida dari udara terdapat lintasan lainnya, yaitu lintasan yang melibatkan asam malat dan aspartat yang juga dapat mengikat karbon dioksida dari udara yang dikenal dengan tumbuhan C4 dan CAM (crassulacean acid metabolism).

Reaksi gelap/reduksi karbon/Siklus Calvin - merupakan reaksi yang tidak memerlukan cahaya secara langsung dan berfungsi mereduksi karbon dioksida menjadi gula (karbohidrat) dengan energi dari ATP dan NADPH (terjadi dalam stroma kloroplas). Terkhusus untuk istilah reaksi gelap atau "dark" reaction yang kerap ditemukan pada berbagai media pembelajaran, seringkali membuat persepsi pembaca menjadi keliru. Reaksi reduksi karbon ini disebut sebagai "reaksi gelap" karena reaksi ini tidak ada hubungannya dengan cahaya matahari secara langsung. Namun demikian, bukan berarti bahwa reaksi ini terjadi ketika kondisi gelap (malam hari). Bahkan pada malam hari reaksi gelap (pembentukan gula) tidak berlangsung, karena reaksi terang - yang menghasilkan daya asimilasi bagi reaksi gelap - juga tidak berlangsung. Dalam kegelapan, tumbuhan melepaskan sukrosa ke dalam floem dari cadangan pati untuk menyediakan energi bagi tumbuhan. Dengan demikian, "reaksi gelap" terjadi ketika cahaya tersedia.

Lonergan (2000), dari University of New Orleans menyatakan bahwa gagasan bahwa siklus Calvin berfungsi dalam kegelapan mungkin merupakan sisa sejarah yang berasal dari percobaan in vitro awal. Pada tahun 1950-an, ketika siklus Calvin dijelaskan, analisis terkait enzim merupakan aktivitas yang relatif masih baru berkembang. Dalam pengamatan ketika itu, produk akhir dari reaksi yang dikatalis oleh enzim pereduksi karbon selama beberapa menit tetap terdeteksi dalam kondisi gelap, asalkan konsentrasi dari ATP dan NADPH dipertahankan tetap tinggi. Namun demikian, ketika ATP dan NADPH tersebut habis, reaksi kemudian terhenti. Terdeteksinya produk akhir dari reaksi reduksi karbon pada kondisi gelap tersebut kemungkinan disebabkan karena masih adanya sisa aktivitas enzim dalam gelap, sehingga jalur ini dijuluki “reaksi gelap” ketika itu. Akan tetapi, fakta menunjukkan bahwa enzim pada siklus Calvin tidak bisa mempertahankan aktivitas dalam kondisi gelap.

Sepanjang tahun 1970-an, hal ini menjadi semakin jelas bahwa beberapa enzim siklus Calvin dan PEP karboksilase dari tumbuhan C4 dan CAM hanya akan menunjukkan aktivitas enzim maksimal ketika ada cahaya. Lonergan (2000) menambahkan bahwa enzim-enzim diaktifkan oleh elektron yang dihasilkan selama reaksi cahaya, atau oleh enzim kinase yang hanya aktif dalam cahaya. Adapun lima enzim pada tumbuhan C3 yang diatur oleh cahaya meliputi: ribulosa-1,5-bisfosfat karboksilase (juga disebut Rubisco), 3-fosfogliseraldehid dehidrogenase, fruktosa-1,6-bisfosfat fosfatase, sedoheptulosa-1,7-bisfosfat fosfatase, dan ribulosa-5-fosfat kinase. Selain itu, tiga enzim tambahan pada tumbuhan C4 meliputi: PEP karboksilase, NADP+ malat dehidrogenase dan piruvat, fosfat dikinase (Buchanan, 1980).

Menurut Lonergan (2000), terdapat beberapa mekanisme yang telah berhasil diidentifikasi untuk menjelaskan beberapa pengaruh cahaya terhadap reaksi reduksi karbon atau "reaksi gelap" fotosintesis, antara lain:

1) Aktivasi Enzim oleh Thioredoxin Tereduksi

Semua enzim yang disebutkan di atas, kecuali Rubisco dan PEP karboksilase pada tumbuhan C4, diaktifkan oleh elektron yang berasal dari rantai transpor elektron dari reaksi cahaya. Enzim-enzim ini masing-masing memiliki ikatan disulfida (S-S) yang direduksi dan dipecahdalam kondisi terdapat cahaya untuk membentuk dua gugus sulfhidril (-SH dan -SH). Pemutusan ikatan disulfida memodifikasi struktur enzim, menyebabkan reaksi enzim menjadi terjadi pada tingkat yang lebih cepat. Elektron yang digunakan untuk mereduksi gugus sulfhidril berasal dari reaksi pemisahan air yang terkait dengan fotosistem II (PSII). Elektron melewati rantai transpor elektron ke fotosistem I, tetapi bukannya mereduksi NADP ke NADPH, beberapa elektron berpindah ke protein yang disebut thioredoxin, yang diperkirakan secara longgar melekat pada permukaan luar membran tilakoid. Thioredoxin itu sendiri mengandung ikatan disulfida yang direduksi oleh elektron dari fotosistem I. Thioredoxin yang tereduksi terdisosiasi dari permukaan membran tilakoid dan kemudian mereduksi enzim, sehingga mengaktifkan enzim pada siklus Calvin.

2) Aktivasi Rubisco oleh pH dan Mg2+

Dalam cahaya, H+ dipompa dari stroma kloroplas ke dalam membran tilakoid (lumen). Pergerakan proton tersebut menghasilkan peningkatan pH dalam stroma, lokasi enzim siklus Calvin enzim, dari pH 7 menjadi 8. Rubisco lebih aktif pada pH 8 dari 7.

Dalam cahaya, Mg2+ juga diangkut keluar dari tilakoid ke dalam stroma. Transfer ini merupakan bagian dari mekanisme yang digunakan untuk menyeimbangkan muatan listrik selama translokasi proton. Adapun Rubisco membutuhkan Mg2+ untuk aktivitas yang maksimal. Oleh karena itu, Rubisco diaktifkan oleh perubahan pH serta konsentrasi Mg2+ yang terjadi ketika reaksi cahaya terjadi (Ben-Hayyim, 1978; Miziorko & Lorimer, 1983; Seeman et al., 1985).

Sebagai tambahan, senyawa enam karbon yang disebut 2-karboksiarabinitol-1-fosfat (CA1P) telah diidentifikasi sebagai penghambat aktivitas Rubisco yang kuat. Tingkat CA1P mencapai puncaknya pada malam hari, sehingga menghambat aktivitas dari Rubisco. Adapun CA1P terdegradasi di siang hari oleh enzim fosfatase yang menghilangkan grup fosfat dari karbon nomor 1 (Hug et al., 1980).

Mengingat fakta bahwa reaksi siklus Calvin tidak berfungsi dalam gelap, pernyataan bahwa reaksi-reaksi ini 'tidak bergantung pada cahaya' seharusnya ditinggalkan. Deskripsi yang lebih tepat adalah bahwa jalur siklus Calvin dipengaruhi oleh adanya cahaya secara tidak langsung.