Dalam anabolisme karbohidrat, akan banyak kita pelajari berbagai proses reaksi kimia. Untuk memudahkan dalam memahami kedudukan dari tiap reaksi tersebut, mari kita perhatikan peta konsep di bawah ini!


Berdasarkan perbedaan energi yang digunakan, proses anabolisme karbohidrat dibedakan menjadi fotosintesis dan kemosintesis. Anabolisme yang menggunakan energi cahaya disebut fotosintesis, sedangkan anabolisme yang menggunakan energi kimia disebut kemosintesis.

Berikut ini akan dijelaskan mengenai fotosintesis dan kemosintesis.

1. Fotosintesis

Fotosintesis adalah proses penyusunan bahan organik (karbohidrat) dari H2O dan CO2 dengan bantuan energi cahaya. Proses ini hanya dapat terjadi pada tumbuhan yang mempunyai klorofil, yaitu pigmen yang berfungsi sebagai penangkap energi cahaya matahari. Jadi, fotosintesis merupakan transformasi energi dari energi cahaya matahari dikonversi menjadi energi kimia yang terikat dalam molekul karbohidrat. Peristiwa fotosintesis dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi kimia sebagai berikut.

Proses fotosintesis berlangsung melalui dua tahap reaksi, yaitu tahap reaksi terang dan tahap reaksi gelap. Secara keseluruhan, fotosintesis berlangsung dalam kloroplas.

Organela yang terlibat dalam fotosintesis
(Sumber: Campbell, et al., 2010, h. 202)


a.       Reaksi terang

Reaksi terang adalah reaksi yang akan berlangsung jika ada cahaya, misalnya cahaya matahari. Reaksi ini terjadi pada membran tilakoid grana, yang akan menghasilkan ATP dari ADP+fosfat (fosforilasi) dan NADPH2 dari NADP. Pembentukan ATP pada reaksi terang menggunakan energi matahari (foton) sehingga peristiwanya disebut fotofosforilasi.

Dalam reaksi terang juga dibutuhkan hidrogen untuk mereduksi NADP menjadi NADPH2. Pada tumbuhan, hidrogen diperoleh dari pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen, pemecahan inilah yang disebut dengan fotolisis. Hasil reaksi terang selanjutnya akan digunakan dalam reaksi gelap.

Reaksi terang melibatkan dua jenis fotosistem, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Apakah sebenarnya fotosistem itu?

Di dalam tilakoid, terdapat beberapa pigmen yang berfungsi menyerap energi cahaya. Pigmen-pigmen itu antara lain klorofil a, klorofil b, dan pigmen tambahan karotenoid. Setiap jenis pigmen menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu.

Molekul klorofil dan pigmen asesori (tambahan) membentuk satu kesatuan unit sistem yang dinamakan fotosistem. Setiap fotosistem menangkap cahaya dan memindahkan energi yang dihasilkan ke pusat reaksi, yaitu suatu kompleks klorofil dan protein-protein yang berperan langsung dalam fotosintesis.

Fotosistem I terdiri atas klorofil a dan pigmen tambahan yang menyerap kuat energi cahaya dengan panjang gelombang 700 nm sehingga sering disebut P700. Sementara itu, fotosistem II tersusun atas klorofil a yang menyerap kuat energi cahaya dengan panjang gelombang 680 nm sehingga sering disebut P680.

Ketika suatu molekul pigmen menyerap energi cahaya, energi itu dilewatkan dari suatu molekul pigmen ke molekul pigmen lainnya hingga mencapai pusat reaksi. Setelah energi sampai di P700 atau di P680 pada pusat reaksi, sebuah elektron kemudian dilepaskan menuju tingkat energi lebih tinggi. Elektron berenergi ini akan disumbangkan ke akseptor elektron.

Dalam reaksi terang, terdapat dua jalur perjalanan elektron, yaitu jalur elektron siklik dan jalur elektron nonsiklik.

Jalur elektron siklik dan nonsiklik
(Sumber: Sembiring & Sudjino, 2009, h. 38)

·  Jalur elektron siklik (--->) terjadi dari fotosistem I kembali ke fotosistem I dan hanya menyebabkan terbentuknya ATP.

·  Jalur elektron nonsiklik (→) menguraikan air menjadi H+, e-, dan O2. Selain itu juga dihasilkan ATP dan mengubah NADP+ menjadi NADPH2.

Untuk lebih jelas dalam memahami proses reaksi terang, mari kita simak video berikut.

(Sumber: Youtube: biologi aja)

b.       Reaksi gelap

Reaksi gelap atau disebut juga siklus Calvin-Benson (diambil dari nama penemunya) merupakan reaksi tahap kedua dari fotosintesis. Disebut reaksi gelap karena reaksi ini tidak memerlukan cahaya, walaupun reaksi ini tidak mutlak terjadi hanya pada kondisi gelap. Reaksi gelap terjadi di dalam stroma.

Pada reaksi tersebut, energi berupa ATP dan molekul pereduksi NADPH2 yang dihasilkan dari reaksi terang, digunakan untuk mereduksi/memfiksasi CO2 untuk mengubahnya menjadi karbohidrat.

Dalam siklus Calvin terdapat tiga tahap reaksi, yaitu:

1). Karboksilasi/Fiksasi (pengambilan CO2) oleh akseptor RuBP membentuk 2 molekul PGA yang mengandung 3 atom C.

2). Reduksi molekul PGA menjadi asam fosfogliseraldehid (PGAL) yang selanjutnya akan membentuk karbohidrat berupa glukosa, sukrosa, dan amilum.

3). Regenerasi (pembentukan kembali) akseptor CO2, yaitu RuBP, dari molekul PGAL. Proses ini diperlukan karena CO2 terus-menerus dihasilkan dari reaksi terang sehingga harus selalu tersedia senyawa yang dapat mengikatnya, yaitu RuBP.

Untuk lebih memperjelas hubungan antara ketiga tahap reaksi tersebut, kamu dapat memerhatikan gambar berikut.

Hubungan tiga tahapan reaksi yang terjadi pada siklus Calvin secara ringkas
(Sumber: Campbell, et al., 2010, h. 214)


Untuk lebih jelas dalam memahami proses reaksi gelap, mari kita simak video berikut.

(Sumber: Youtube: biologi aja)


Berdasarkan tipe pengikatan terhadap CO2 selama proses fotosintesis, terdapat tiga jenis tumbuhan, yaitu tanaman C3, tanaman C4, dan tanaman CAM.

Perbedaan C3, C4, dan CAM
(Sumber: Raven, et al., 2014, h. 164)

Untuk pembahasan lebih lengkap bagaimana perbedaan tanaman C3, C4, dan CAM, mari kita simak video berikut.

(Sumber: Youtube: biologi aja)

Dari uraian di atas, dapat dikatakan bahwa reaksi terang berhubungan langsung dengan reaksi gelap untuk menghasilkan suatu produk, yaitu karbohidrat yang merupakan senyawa utama penyusun senyawa-senyawa vital untuk kehidupan organisme.


2. Kemosintesis

Selain dari proses fotosintesis, karbohidrat juga dapat dibentuk dari CO2 dan H2O menggunakan energi kimia yang disebut kemosintesis. Energi kimia diperoleh dari hasil oksidasi senyawa anorganik yang diserap dari lingkungan, misanya sulfur, hydrogen, besi, ammonia, nitrit hydrogen sulfida.

Kemosintesis terjadi pada bakteri nitrifikasi, bakteri belerang, bakteri besi, serta bakteri hidrogen dan bakteri metan.

a.  Kemosintesis oleh Bakteri Nitrifikasi

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.

b.  Kemosintesis oleh Bakteri Belerang

Contoh dari bakteri belerang adalah  Beggiatoa dan Thiospirillum yang ditemukan pada sumber mata air panas yang mengandung hidrogen sulfida. Kelompok bakteri ini mengoksidasi logam sulfida menjadi sulfur menurut reaksi berikut.

Ketika cadangan sulfida habis, endapan sulfur akan dioksidasi menjadi sulfat.


c.  Kemosintesis oleh Bakteri Besi

Beberapa bakteri besi pada umumnya, misalnya Leptothrix, Crenothrix, Cladothrix, Galionella, Spiruphyllum, dan Ferrobacillus mengoksidasi ion ferro menjadi ion ferri.

d.  Kemosintesis oleh Bakteri Hidrogen dan Bakteri Metana

Salah satu jenis bakteri hidrogen, yaitu Bacillus panctotrophus yang dapat mengoksidasi hidrogen dengan membebaskan energi.

Sedangkan salah satu contoh bakteri metana adalah Methanonas yang mampu mengoksidasi metana menjadi CO2. Metana menyediakan karbon dan energi bagi bakteri aerob ini.

 

Untuk lebih jelas dalam memahami proses kemosintesis, mari kita simak video berikut.

(Sumber: Youtube: biologi aja)

Energi yang diperoleh pada kemosintesis digunakan untuk proses fosforilasi dan reduksi CO2 menjadi karbohidat.