MAKALAH METABOLISME SEL KLOROPLAS: Struktur dan Fungsi
Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Metabolisme Sel Dosen Pengampu: DR. R. Susanti Disusun oleh: Anita Sulistyawati NIM. 0402516011
PENDIDIKAN IPA KONSENTRASI BIOLOGI PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2017
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Semua energi yang digunakan makhluk hidup seperti tumbuhan, hewan, dan mikroorganisme berasal dari matahari. Energi cahaya dari matahari diasorbsi oleh tumbuhan hijau dan selanjutnya dikonversi menjadi energi kimia melalui proses fotosintesis, yaitu suatu mekanisme penyusunan energi
pada
tumbuhan berklorofil
dengan
bantuan
cahaya melalui reaksi oksidasi-reduksi. Klorofil sendiri merupakan suatu pigmen yang terdapat dalam organel sel yang disebut kloroplas. Kloroplas pada dasarnya tidak hanya mengandung pigmen klorofil saja, melainkan dapat mengandung jenis-jenis pigmen lain misalnya karotenoid yang memiliki warna oranye seperti yang banyak terdapat pada wortel. Pigmen-pigmen lain selain klorofil ini juga berperan penting dalam fotosintesis serta fotoproteksi dari tumbuhan. Kloroplas merupakan suatu organel yang tidak dimiliki oleh sel hewan, namun dimiliki oleh tumbuhan dan beberapa alga serta bakteri. Berdasarkan teori endosimbion, kloroplas dimungkinkan berasal dari bakteri fotosintetik yang masuk secara endositosis ke dalam organisme eukariot karena dikaitkan dengan kemiripan antara kloroplas dengan bakteri. Kemampuan kloroplas dalam mengkonversi energi cahaya sebagai sumber utama kehidupan di bumi menjadi energi kimia seperti glukosa memungkinkan kehidupan dapat terus berlanjut dan keberadaannya sangatlah krusial. Kemampuan luar biasa organisme autotrof seperti tumbuhan dan alga dalam mempertahankan kehidupan di muka bumi tidak lain karena organel luar biasa yang disebut kloroplas tersebut. Untuk itu, sangat penting bagi kita memahami kloroplas. Terkait dengan pemaparan di atas, dalam makalah ini dibahas lebih lanjut mengenai kloroplas terkait akan struktur dan fungsinya.
1.2 Rumusan Masalah Bagaimanakah struktur dan fungsi kloroplas? 1.3 Tujuan Unruk mengetahui kloroplas terkait struktur dan fungsinya.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Struktur dan Fungsi Kloroplas Kloroplas merupakan salah satu organel yang dimiliki utama oleh tumbuhan serta dimiliki oleh beberapa alga dan juga protista. Kloroplas pada dasarnya merupakan salah satu jenis plastid yang mengalami diferensiasi dan berkembang. Plastida sendiri merupakan suatu organel yang terdapat dalam sel tumbuhan yang berasal dari proplastida. Proplastida merupakan suatu prekusor pembentuk plastida yang merupakan suatu organel kecil tanpa warna dan belum berkembang yang terdapat pada jaringan meristem. Dalam Alberts, dkk (2008) dikatakan bahwa perkembangan proplastida menjadi plastida tergantung pada keadaan dan kebutuhan dari suatu sel meskipun sebagian besar ditentukan oleh genom yang terdapat dalam nukleus suatu sel. Misalnya, pada daerah ternaung, proplastid akan cenderung berkembang menjadi etioplas sedangkan pada daerah yang banyak cahaya proplastida berkembang menjadi kloroplas. Masih banyak plastida jenis lain diantaranya adalah: a.
Kromoplas: adalah plastida yang menghasilkan warna non fotosintesis (karotin, fikosianin, fukosantin, xanthofil, fikoeretrin, dan antosianin)
b.
Leukoplas: adalah plastida yang tidak berwarna (terbagi lagi menjadi amiloplas, elailoplas, dan proteoplas)
c.
Kloroplas: adalah plastida yang menghasilkan warna hijau daun, disebut klorofil (seperti klorofil a dan klorofil b) Pada sel tumbuhan, kloroplas dijumpai pada mesofil daun dan biasanya
berbentuk cakram dengan diameter 2-4 µm dan panjangnya 5-10 µm dan jumlah per sel bervariasi mulai dari 30-200 kloroplas. Bentuk kloroplas juga bervariasi, diantaranya adalah bulat misalnya pada Chlorella, berbentuk bintang seperti pada Zygnema, berbentuk spiral seperti pada Spyrogyra, dan berbentuk cup misalnya pada Clamydomonas.
Berdasarkan teori endosimbion, kloroplas diduga berasal dari bakteri fotosintetik yang masuk ke dalam sel eukariotik secara endositosis. Hipotesis ini didukung oleh beberapa fakta menarik terkait beberapa persamaan yang dimiliki antara kloroplas dan bakteri, yaitu (Alberts dkk, 2008): a. Kloroplas memiliki genom sendiri yaitu DNA dan RNA kloroplas b. DNA kloroplas lebih mirip dengan DNA bakteri dan tidak sama dengan DNA inti c. Ukuran organel ini mirip dengan bakteri d. Memiliki membran ganda yang sama seperti milik bakteri.
Gambar 1. Mekanisme skematik endosimbiosis bakteri fotosintetik (Sumber: Molecular biology of the cell Fifth edition, Alberts dkk, 2008)
Secara umum, struktur kloroplas dapat dibagi menjadi beberapa macam, yaitu, membran, yang terdiri dari membran luar, membran dalam dan membran tilakoid, ruang antar membran, stroma, tilakoid, grana, dan lamela (Taiz dan Zeiger, 2002).
Gambar 2. Struktur umum kloroplas (Sumber: www.google.com)
2.1.1 Membran Kloroplas Sistem membran pada kloroplas juga dikenal dengan sistem tiga membran, karena terdiri dari membran luar, membran dalam, dan membran tilakoid. Seperti membran luar pada mitokondria, membran luar kloroplas juga mengandung porin yang menyebabkan membran ini permeable terhadap molekul dengan ukuran 10.000 dalton. Sebaliknya membran dalam relatif lebih selektif permeabel sehingga memiliki protein transport untuk mengatur keluar masuknya zat dari dan ke dalam kloroplas (Taiz dan Zeiger, 2002). Protein transport yang terdapat pada membran kloroplas adalah komplek yang disebut TOC dan TIC. Kompleks TIC dan TOC adalah suatu translocons yang terletak di kloroplas sel eukariotik, yaitu kompleks protein yang memfasilitasi transfer protein masuk dan keluar melalui membran kloroplas. Kompleks TIC (translocon on the inner chloroplast membrane) terletak di dalam amplop bagian dalam kloroplas. Kompleks TOC (translocon on the outer chloroplast membrane) terletak di membran luar kloroplas. Kompleks ini mengangkut protein yang disintesis di sitoplasma melintasi membran kloroplas (Alberts dkk, 2008).
Gambar 3. Protein transport pada membran kloroplas terdiri dari TIC dan TOC (Sumber: www.wikipedia.org)
Antara membran luar dan membran dalam terdapat ruang antar membran dengan jarak sekitar 10-20 nm. Membran dalam menutupi daerah yang berisi cairan yang disebut stroma yang mengandung enzim untuk reaksi terang pada proses fotosintesis. Membran ketiga yaitu membran tilakoid membentuk struktur cakram yang bertumpuk-tumpuk yang disebut grana. Di dalam membran ini terdapat lumen tilakoid.
2.1.2 Stroma Stroma merupakan wilayah yang dibatasi membran dalam kloroplas dan membran tilakoid dimana stroma sendiri berupa cairan kental yang berfungsi sebagai tempat suspensinya kandungan kloroplas seperti ribosom, DNA, RNA, enzim-enzim, plastida dan juga grana. Stroma merupakan tempat terjadinya reaksi gelap atau dikenal dnegan siklus Calvin karena di sini terkandung enzimenzim yang dibutuhkan dalam proses tersebut, misalnya Rubisco untuk fiksasi karbon. Kloroplas juga mengandung ribosom dan DNA sendiri. Ribosom digunakan untuk sintesis protein-protein yang dibutuhkan dalam kloroplas (Taiz dan Zeiger, 2002). Antara stroma dan grana terhubung oleh suatu lamela yang disebut lamela stroma. Berikut adalah gambar yang menunjukkan hubungan antara grana dan stroma:
Gambar 4. Struktur kloroplas, tilakoid dan lamela (Sumber: Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
2.1.3 Genom Kloroplas Kloroplas memiliki genom sendiri yaitu DNA yang disebut juga dengan ctDNA. ctDNA merupakan suatu molekul berbentuk sirkuler dengan banyak kopian tiap seldengan ukuran bervariasi antara 120-160 kbp. Gen yang terdapat sekitar 150 dimana diantaranya mengkode beberapa kategori, yaitu: (1) yang terlibat dalam ekspresi gen (seperti RNA polimerase, rRNA, tRNA) (2) yang terlibat dalam fotosintesis (seperti fotsistem I, fotosistem II, dan transpor elektron). Berikut ini adalah contoh organisasi genom kloroplas pada lumut hati:
Gambar 5. Struktur kloroplas, tilakoid dan lamela (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Tidak semua polipeptida di kloroplas dikodekan oleh kloroplas sendiri, namun sekitar 2000-3500 polipeptida dari kloroplas dikodekan oleh gen inti. Beberapa bahan dasar berupa protein imatur dikode oleh DNA inti untuk dibuat di sitoplasma dan ditransfer ke dalam kloroplas.
Gambar 6. Struktur kloroplas, tilakoid dan lamela (Sumber www.google.com)
2.2.4 Grana Grana merupakan tumpukan dari granum-granum yang merupakan tilakoid. Tiap sel memiliki sekitar 40-60 grana yang tersebar di dalamnya. Antara grana satu dan lain terhubung oleh lamela grana. Grana berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi terang, karena di dalam kompleks ini terdapat pigmen-pigmen yang tertanam dalam suatu kompleks protein guna menangkap energi dari cahaya matahari (Taiz dan Zeiger, 2002). 2.2.4 Membran Tilakoid Membran tilakoid yang mengelilingi ruang interior tilakoid yang berisi cairan mengandung klorofil dan pigmen fotosintesis lain serta rantai transport elektron. Reaksi terang dari fotosintesis terjadi di tilakoid. Membran luar kloroplas
menutupi
ruang
intermembran
antara
membran
dalam
dan
membran luar kloroplas. Seperti pada matriks mitokondria, stroma kloroplas mengandung molekul DNA sirkuler dan ribosom. Diperkirakan pula terdapat sekitar 60 macam polipeptida pada membran tilakoid. Setengah diantaranya dikode oleh DNA kloroplas. Sebagian besar protein dalam kloroplas dikode oleh gen nuklear, dihasilkan di sitoplasma dan selanjutnya dikirim ke kloroplas (Taiz dan Zeiger, 2002).
Gambar 7. Struktur tilakoid (Sumber Plant Physiology 3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Pusat reaksi, kompleks protein pigmen antena, dan sebagian besar enzim transpor elektron merupakan protein integral. Dalam semua kasus yang diketahui, protein membran integral dari kloroplas memiliki orientasi unik di dalam membran. Protein membran thylakoid memiliki satu daerah yang mengarah ke sisi stroma membran dan yang lainnya berorientasi pada bagian interior thylakoid, yang dikenal sebagai lumen (Campbell, dkk. 2005). Penumpukan pada membran tilakoid merupakan suatu cara agar dapat memperluas
permukaan
membran
sehingga
dapat
memperluas
tempat
melekatnya protein-protein yang tertanam. Membran tilakoid adalah tempat tertanamnya berbagai macam kompleks protein seperti fotosistem I (PSI), fotosistem II (PSII), ATP sintase, sitokrom b6f, LCHII trimer dan sebagainya. Fotosistem merupakan suatu kompleks protein yang didalamnya terdapat pigmen-pigmen krusial yang menjadi inti bahasan yaitu klorofil. Dimana, klorofil merupakan suatu pigmen utama yang digunakan sebagai penangkap cahaya agar kemudian bisa dikonversi menjadi energi untuk membentuk glukosa (Taiz dan Zeiger, 2002). Fotosistem II terletak pada daerah tilakoid yang menumpuk sedangkan Fotosistem II dan ATP sintase terletak pada daerah yang lebih renggang dan
menonjol ke daerah stroma yaitu di sekitaran lamela stroma dan lamela grana, sedangkan sitokrom b6f tersebar merata pada membran. Gambar berikut dapat
memperjelas keberadaan protein-protein yang tertanam pada membran tilakoid: `
Gambar 8. Struktur detail protein yang tertanam di membran tilakoid (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
2.2.5 Fotosistem Fotosistem merupakan suatu kompleks kantung protein yang terikat pada membran tilakoid serta mengandung pigmen-pigmen yang berfungsi dalam fotosintesis. Fotosistem dapat dibedakan menjadi 2 yaitu fotosistem I dan fotosistem II. a. Fotosistem I (PS I): yang menyangkut penyerapan energi cahaya matahari pada panjang gelombang sekitar 700 nm . Fotosistem I merupakan satu partikel yang disusun oleh sekitar 200 molekul klorofil-a, 50 klorofil-b, 50 sampai 200 pigmen karoteroid. Pusat reaksi PS I merupakan kompleks multi subunit yang besar. Berbeda dengan PS II, inti antena terdiri dari sekitar 100 klorofil. inti antena terikat dua protein utama yaitu PsaA dan PsaB dengan massa molekul di kisaran 66 sampai 70 kDa. Pada PS I ini terjadi reduksi NADP+ b. Fotosistem II (PS II): menyangkut penyerapan energi matahari pada panjang gelombang sekitar 680 nm. PS II mengandung klorofil a dan βkaroten serta sedikit klorofil b. Dalam PSII, terjadi oksidasi dua molekul air
menghasilkan empat elektron, empat proton, dan satu O2. Proton yang dihasilkan oleh oksidasi air ini harus juga bisa berdifusi ke daerah stroma, dimana ATP berada disintesis. PS II mengandung protein multisubunit yang sangat kompleks dimana jantung dari pusat reaksi terdiri dari 2 jenis membran protein yaitu DI dan D2. Kolorofil donor utama (P680), juga klorofil tambahan seperti karotenoid, pheophytins, dan plastoquinones terikat pada protein membran D1 dan D2. Pastoquinon akan mengirim elektron dari pusat reaksi PS II menuju ke sitokrom b6f (Campbell, dkk. 2005), (Taiz dan Zeiger, 2002).
Gambar 9. Struktur kimiawi plastokuinon (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Di antara sitokrom b6f menuju PS I terdapat protein pembawa elektron yang disebut plastosianin. Plastosianin akan mentransfer elektron dari sitokrom b6f ke PS I.
Gambar 10. Struktur skematik sitokrom dan protein pembawa elektron (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Pemisahan spasial antara fotosistem I dan II menunjukkan bahwa
stoikiometri satu-ke-satu yang ketat antara kedua fotosistem tidak diperlukan. Peran fungsional pemisahan besar ini (Puluhan nanometer) antara fotosistem I dan II tidak sepenuhnya jelas tapi diperkirakan bisa meningkatkan efisiensi distribusi energi antara dua fotosistem. Sebagai gantinya, pusat reaksi PSII memberi umpan untuk mengurangi ekuivalen menjadi kolam perantara umum pembawa elektron terlarut (plastoquinone), yang akan dijelaskan secara rinci nanti di bab ini. Pusat reaksi PSI menghilangkan setara pengurangan dari kolam umum, bukan dari yang spesifik. Kompleks pusat reaksi PSII. Sebagian besar pengukuran jumlah relatif dari fotosistem I dan II telah menunjukkan bahwa ada kelebihan fotosistem II pada kloroplas. Paling umum, rasio PSII ke PSI adalah sekitar 1,5: 1, namun dapat berubah saat tanaman tumbuh dalam kondisi cahaya yang berbeda. Organisme non-oksigenik (anoksigenik), seperti bakteri fotosintesis ungu dari genus Rhodobacter dan Rhodopseudomonas, hanya mengandung satu fotosistem tunggal yaitu fotosistem I saja sehingga ia tidak dapat menghasilkan oksigen, namun tetap dapat membentuk ATP (Campbell, dkk. 2005). Jumlah dan variasi pigmen memungkinkan fotosistem memanen cahaya pada dengan luas dan spektrum lebih besar daripada pigmen tunggal. Misalnya pada PS I dan PS II, dimana tiap fotosistem terkandung sekitar 200 molekul klorofil dan sekitar 50 molekul karotenoid (Karp, 2010).
Gambar 11. Struktur skematik sitokrom dan protein pembawa elektron (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Fotosistem tersusun atas kompleks pusat reaksi yg dikelilingi oleh beberapa kompleks pemanen cahaya. Tiap kompleks pemanen cahaya
mengandung kombinasi beberapa pigmen klorofil dalam sebuah kompleks antena. Kompleks antena mengandung protein yang mengikat pigmen berukuran besar yang menangkap energi cahaya dan mentransfernya ke kompleks pusat reaksi. Kompleks pemanen cahaya bertindak sebagai antena bagi kompleks pusat reaksi, dimana ketika molekul pigmen menyerap foton, energi ditransfer dari satu pigmen ke pigmen lain hingga energi sampai ke kompleks pusat reaksi (Campbell, dkk. 2005).
Gambar 12. Struktur umum fotosistem (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
Kompleks pusat reaksi merupakan bagian yang mengandung kompleks protein dan molekul klorofil yang memiliki kemampuan mengubah enargi cahaya menjadi energi kimia.
Dalam kompleks pusat reaksi terdapat molekul yang
mampu menerima elektron menjadi tereduksi yang dinamakan penerima elektron primer. Proses konversi energi terjadi ketika foton, yaitu partikel dari cahaya yang memiliki energi tertentu yang disebut kuanta, ditangkap oleh klorofil mengalami eksitasi. Eksitasi adalah penambahan tenaga pada suatu sistem yang mengalihkannya dari keadaan dasarnya kesuatu keadaan dengan tenaga yang lebih tinggi, prosesnya dapat dilihat pada gambar (Karp, 2010).
Gambar 13. Mekanisme elektron yang tereksitasi (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Kondisi eksitasi bersifat tidak stabil, dan cepat kembali ke kondisi dasar. Hal yang dapat terjadi ketika foton mengenai pigmen (Alberts, 2002) : a. Dengan mengubah energi berlebih menjadi panas atau fluoresensi (mekanisme fotoinhibisi) b. Dengan mentransfer energi tetapi bukan elektron-langsung ke molekul klorofil tetangga dengan proses yang disebut transfer energi resonansi oleh kompleks antena. Mekanisme fisik dimana energi eksitasi disampaikan dari klorofil yang menyerap cahaya ke pusat reaksi dianggap sebagai transfer resonansi. Dengan ini mekanisme energi eksitasi dipindahkan dari satu molekul ke molekul lainnya dengan proses nonradiatif.
c. Dengan mentransfer elektron berenergi tinggi bermuatan negatif ke
molekul terdekat lainnya, akseptor elektron, setelah itu klorofil positif bermuara kembali ke keadaan aslinya dengan mengambil elektron energi rendah dari beberapa molekul lain, donor elektron (kompleks pusat reaksi). Gambar 14. Mekanisme eksitasi elektron ke tingkat energi lebih tinggi ke pigmen tetangga (Sumber: Molecular biology of the cell Fifth edition, Alberts dkk, 2008)
2.2.6 Kompleks Protein Lain: sitokrom b6f, ATP sintase, dan light-harvesting complex II (LHCII) Membran tilakoid selain sebagai tempat tertanamnya kompleks fotosistem juga tertanam kompleks protein lain yang sebenarnya jauh lebih rumit daripada yang kita bayangkan. Beberapa protein lain yang akan dijelaskan di makalah ini adalah sitokrom b6f, ATP sintase, dan LHCII (Taiz dan Zeiger, 2002): a. Sitokrom b6f: merupakan protein yang membawa elektron dari fotosistem II ke fotosistem I. Keberadaannya menyebar merata di antara kedua sistem ini. b. LHCII: Dalam semua organisme fotosintesis eukariotik yang mengandung klorofil a dan klorofil b, protein antena yang paling melimpah adalah anggota keluarga besar protein yang berhubungan secara struktural. Beberapa protein ini terutama terkait dengan fotosistem II dan LHCII; yang lainnya terkait
dengan fotosistem I dan disebut protein LHCI. Kompleks antena ini juga
dikenal sebagai protein antena klorofil a / b. atau light harvesting complex-II merukan protein struktural yang membentuk antena. Protein mengandung 3 bagian a-heliks dan mengikat sekitar 15 klorofil a dan b serta beberapa karotenoid. Gambar 15. Struktur protein LCHII (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
c. ATP sintase: merupakan kompleks enzim yang membentuk ATP menjadi proton yang didifusikan kembali dari lumen ke stroma. Ditemukan pada lamela stroma dan pinggiran grana. Struktur ATP sintase ini terdiri dari kompleks multisubunit, CF1, terdapat pada sisi stroma membran dan ke bagian membran integral, dikenal sebagai CF0. CF1 terdiri dari lima polipeptida yang berbeda, dengan stoikiometri α3, B3, Γ, δ, ε. CF mengandung Mungkin empat polipeptida berbeda, dengan stoikiometri a, b, b ', c12.
Gambar 16. Struktur ATP Sintase (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
2.2.6 Pigmen Fotosintetik dan Pigmen Asesori Fotosistem, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya mengandung sejumlah pigmen terutama klorofil, namun tidak menutup kemungkinan ia juga mengandung pigmen lain seperti karotenoid. Pigmen klorofil yang melimpah pada tumbuhan tingkat tinggi yaitu klorofil a dan klorofil b. Pada tumbuhan tingkat tinggi, klorofil a merupakan klorofil utama yang berperan dalam proses pemanenan cahaya. Klorofil a memiliki struktur molekul yang mengandung cincin porifirin dengan unsur Mg di tengah yang mana cincin ini menjadi penyerap cahaya, serta struktur ekor hidrokarbon yang berfungsi untuk
pengikatan pada membran tilakoid. Struktur klorofil b sama dengan klorofil a ini, hanya dibedakan pada gugus CH3 nya yang digantikan dengan CHO. Perbedaan struktur ini menyebabkan perbedaan kemampuan molekul dalam menyerap panjang gelombang tertentu yang berbeda. Gambar 17. Struktur klorofil a dan b berbeda pada satu gugus fungsional (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
Karotenoid atau pigmen asesori merupakan pigmen tambahan yang juga terdapat pada tumbuhan. Karotenoid ada 2 kelompok besar yaitu xantofil dan karoten. Pigmen ini memiliki warna jingga hingga kuning kemerahan yang fungsinya selain menyerap cahaya pada panjang gelombang berbeda juga berfungsi dalam proses fotoproteksi. Kemampuannya dalam melakukan fotoinhibisi atau menjaga fotosistem II dari kerusakan akibat radiasi berlebih dengan cara membuang kelebihan cahaya sebagai panas. Berbeda dengan struktur molekul pada klorofil, karotenoid misalnya saja betakaroten memiliki struktur memanjang tanpa cincin porifirin (Karp, 2010). (dapat dilihat pada gambar berikut ini) :
Gambar 18. Struktur kimiawi b-karoten dan mekanisme disipasi panas (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Gambar 19. Mekanisme eliminasi panas pada fotooksidatif oleh xanthofil (Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Tiga jenis karotenoid dari kelompok xantofil yaitu violaxantin, antheraxantin, dan zeaxantin. Pada kondisi tinggi cahaya, violaxantin dikonversi menjadi zeaxantin melalui pembentukan antheraxantin terlebih dahulu dengan bantuan enzim violaxanthin de-exposidase. Ketika intensitas cahaya menurun prosesnya kembali ke awal. Ikatan proton dan zeaxantin pada protein antena pemanen cahaya menyebabkan perubahan konformasi yang mengarah pada pendinginan dan disipasi panas. Konsep dasar pemanenan cahaya akan lebih baik bila dipahami lebih dahulu mengenai cahaya dan panjang gelombangnya. Dimana, cahaya merupakan suatu bentuk energi yang dikenal dengan energi elektromagnetik. Jarak puncak energi elektromagnetik disebut dengan panjang gelombang. Panjang gelombang dalam kisaran 380 nm- 750 nm ini merupakan bentuk radiasi cahaya tampak yang sangat penting bagi kehidupan bumi dan dapat dideteksi oleh mata manusia melalui warna-warna. Setiap cahaya yang memiliki warna tertentu ini memiliki energi tertentu dimana energi itu dapat berbeda satu sama lain, semakin pendek panjang gelombang semakin besar energi yang terkandung. Energi cahaya ini disebut dengan kuantum atau jamak:kuanta. Energi berpindah dari cahaya melalui partikel-partikel cahaya yang disebut foton.
Gambar 20. Struktur klorofil a dan b berbeda pada satu gugus fungsional (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
Sifat cahaya ketika bertemu materi adalah bisa jadi dipantulkan, diserap, atau diteruskan. Zat yang dapat menyerap cahaya disebut pigmen. Pigmen yang berbeda akan menyerap panjang gelombang yang berbeda pula dan panjang gelombang yang diserap akan menghilang. Pimen hijau pada klorofil menyerap cahaya violet, biru dan merah sambil meneruskan dan memantulkan cahaya hijau sehingga kita dapat melihat bahwa daun berklorofil berwarna hijau, sehingga dapat diketahui bahwa cahaya hijau tidak efektif bagi klorofil untuk fotosintesis. Pada karotenoid baik menyerap cahaya pada warna violet-biru dan hijau (Campbell, dkk. 2005).
Gambar 21. Sifat cahaya dan spektrum absorbsi pada panjang gelombang tertentu pada cahaya tampak. (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
2.2.7
Mekanisme Transport Elektron Absorbsi cahaya oleh pigmen klorofil daun dapat dijelaskan dalam Hukum Start Einstein
yang menyatakan bahwa setiap molekul hanya dapat
menyerap satu foton. Setiap satu foton akan mengakibatkan tereksitasnya satu elektron. Elektron dalam satu atom terletak dalam orbit-orbit yang tetap. Jika pigmen klorofil menyerap energi foton, maka molekul klorofil akan berada dalam keadaan tereksitasi dan energi eksitasi inilah yang digunakan dalam fotosintesis (Karp, 2010). Klorofil dan pigmen lainnya tereksitasi hanya dalam waktu yang -9
relatif singkat yaitu selama 10
detik atau lebih singkat dari itu.
Energi
eksitasi yang diinduksi akan hilang karena dibebaskan melalui tiga cara : a. Energi
hilang
dalam
bentuk
panas
pada
waktu
elektron
kembali ke orbit dasarnya b. Energi hilang dalam bentuk panas dan cahaya flouresen c. Energi hilang karena digunakan untuk suatu reaksi kimia seperti fotosintesis. Bila klorofil menyerap energi cahaya, menyebabkan satu elektron dari klorofil tereksitasi.
Elektron yang tereksitasi ini diteruskan ke senyawa-
senyawa kimia khusus yang terdapat di dekat klorofil di dalam kloroplas yang mempunyai kemampuan menerima elektron pada tingkat energi yang baru. Senyawa- senyawa ini dinamakan akseptor elektron atau pembawa elektron. Jadi pada peristiwa ini terjadi aliran elektron dari suatu senyawa ke senyawa lain dalam suatu urutan
reaksi oksidasi- reduksi, dimana masing-masing
reaksi dikatalisis oleh enzim tertentu. Dalam proses aliran elektron tersebut, energi dalam elektron tereksitasi dibebaskan sedikit demi sedikit. Energi yang dibebaskan ini digunakan untuk membentuk suatu senyawa kimia berenergi tinggi yang disebut Adenosin Tri Fosfat (ATP).
Proses aliran elektron dapat dibagi menjadi 2 macam yaitu aliran elektron siklik dan non siklik. Dikatakan siklik apabila elektron kembali lagi ke klorofil. Aliran elektron ini terjadi pada kasus tertentu saja seperti pada bakteri ungu yang
hanya memiliki fotosistem I sehingga tidak dapat membentuk oksigen dan NADH namun hanya ATP. Aliran non siklik atau linier terjadi ketika elektron mengalir dari fotosistem dan komponen molekul lain dalam tilakoid tanpa kembali ke klorofil. aliran dimulai dari PS II menuju PS I yang terjadi selama reaksi terang. Gambar 22. Mekanisme elekton siklik pada bakteri ungu (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
a. Reaksi Terang Energi foton yang bersumber dari cahaya matahari diabsorbsi oleh klorofil dan menyebabkan eksitasi elektron. Keadaan tereksitasi ini sangat tidak stabil dan cenderung kembali ke keadaan semula (ground state). Pada saat kembali ke ground state terdapat energi yang dibebaskan. tersebut dapat digunakan untuk aktivitas metabolisme.
Energi
Pada tumbuhan,
kloroplas meneruskan elektron tereksitasi ke molekul tetangganya yang disebut
akseptor
elektron
primer.
Rangkaian
pemindahan
elektron
menghasilkan ATP, NADPH, dan oksigen. Apabila foton diserap oleh molekul pigmen pada kompleks PS II, maka energi akan ditransfer ke P 680 dengan cara reduksi induktif. Hal ini akan mengakibatkan P 680 tereksitasi dan segera melepaskan elektronnya dan ditangkap oleh mol FeO. P 680 yang kehilangan elektronnya dan menjadi
+ bermuatan positif (P 680 ) sehingga akan menarik elektron dari protein Mn di sekitarnya.
Apabila protein Mn telah teroksidasi, akan menyerap elektron
dari molekul H2O sehingga molekul air akan terurai menjadi H+ dan OH dan satu elektron.
Satu elektron yang dilepaskan akibat penguraian air diterima
oleh klorofil (P680) yang telah mengalami eksitasi sehingga klorofil tersebut kembali dalam keadaan stabil. Sementara itu elektron yang dilepaskan dari P680 digunakan untuk mereduksi NADP menjadi NADPH. Elektron yang tereksitasi pada PS II dialirkan ke PS I melalui molekul penerima elektron berturut-turut ke sit b3 yang berasosiasi dengan FeO dan Quinon (Q) ke plastoquinon (PQ), Fe-S, sitokrom f Plastosianin (PS) sampai pada mol P 700. Pengangkutan elektron dari mol P 700 ke Fe-S dirangkaikan dengan pembentukan ATP dari ADP dengan Pi. Penyerapan foton oleh PS I dengan panjang gelombang > 680 nm mengakibatkan elektron tereksitasi dari P 700 ke Feredoksin– sulfat (Fe-S).
Selanjutnya elektron dialirkan
ke sit b6, dan diteruskan ke PS, Fe-S, Cyt f, PC dan kembali ke P 700. Sementara itu, elektron-elektron berenergi rendah meninggalkan sistem transpor elektron menuju fotosistem I. Ketika fotosistem I menyerap energi cahaya, elektron-elektron berenergi tinggi meninggalkan pusat reaksi (klorofil a) dan ditangkap oleh akseptor elektron. Selanjutnya, sistem transpor elektron membawa elektron-elektron ini ke NADP+. Setelah itu, NADP+ mengikat ion H+
terjadilah
NADPH2,
seperti
reaksi
berikut.
Dengan demikian jalur elektron nonsiklis menghasilkan ATP dan NADPH 2. NADPH2 dan ATP yang dihasilkan dalam elektron nonsiklik akan digunakan dalam reaksi tahap kedua (reaksi gelap) sintesis karbohidrat.
Gambar 24. Mekanisme aliran elekton linier (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
Gambar 25. Rangkuman aliran elektron pada reaksi terang (Sumber Campbell Biology 9th edition, Campbell, dkk. 2005)
b. Reaksi Gelap Daur Calvin sering disebut juga reaksi gelap fotosintesis atau fiksasi CO2 atau fase Blackman.
Daur ini terdiri atas sekumpulan reaksi kimia yang
berlangsung di dalam stroma kloroplas dan tidak membutuhkan energi dari cahaya matahari secara langsung. Sumber energi yang diperlukan berasal dari fase terang fotosintesis. Reaksi gelap pada dasarnya berlangsung pada waktu yang sama dengan reaksi terang. Secara umum Daur Calvin terdiri atas sejumlah reaksi, dan
secara
sederhana dikelompokkan menjadi empat fase, yaitu 1. Karboksilasi ribulosa bifosfat (RuBP) menjadi fosfogliserat (PGA) atau tahap fiksasi. Proses ini dikatalisis oleh enzim RuBP karboksilase /oksigenase (Rubisco). Pada peristiwa ini oksigen dari CO2 tidak dibebaskan dalam bentuk O2, melainkan bergabung membentuk satu molekul PGA 2. Reduksi PGA membentuk triosa fosfat 3. Regenerasi RuBP. Triosa fosfat digabungkan dikombinasikan melalui serangkaian reaksi yang kompleks membentuk Ru5P (ribulosa 5-P)i. 4. Sintesis produksi akhir (sintesis sukrosa dan pati).
Gambar 26. Mekanisme skematik siklus gelap (Sumber Campbell Biology 10th edition, Campbell, dkk. 2011)
2.3 Adaptasi Kloroplas Kloroplas bukanlah organel yang bersifat statis, melainkan dinamis dapat berpindah sesuai kebutuhan dan keadaan lingkungan. Perpindahan letak kloroplas dapat mengurangi paparan cahaya langsung dan melindungi dari kerusakan photooxidative. Hal ini dilakukan karena, ketika cahaya yang mengenai kloroplas melebihi dari yang dibutuhkan dapat menyebabkan kerusakan pada fotosistem II karena rusaknya protein DI dan menghentikan fotosintesis. Kerusakan ini dapat dipicu dengan terbentuknya berbagai macam oksigen reaktif atau ROS seperti superoksida, hidrogen peroksida dan sebagainya yang akan membahayakan tumbuhan itu sendiri (Taiz dan Zeiger, 2002).
Gambar 27. Atas (Perpindahan letak kloroplas pada kondisi cahaya tertentu) (Sumber www.wikipedia. org). Bawah (perpindahan kloroplas pada penampang tanaman lemna)
(Sumber Plant Physiology3rd edition, Taiz dan Zeiger, 2002)
Stress yang sering dialami oleh tumbuhan berkloroplas adalah tingginya intensitas cahaya yang melebihi kebutuhan sehingga memicu fotooksidatif. Pada tumbuhan C4, mekanisme adaptasi yang dilakukan adalah dengan melaksanakan siklus Calvin pada sel seludang berkas pembuluh dimana dalam mesofil hanya dilakukan pengikatan CO2 oleh PEP karboksilase bukan rubisco seperti pada tumbuhan C3. Hal ini karena PEP memiliki kemampuan mengikat 4 karbon sekaligus dan tidak memiliki afinitas terhadap O2 sehingga lebih efektif bagi tumbuhan tipe ini serta mencegah fotooksidatif. Sehingga, PEP yang mengikat 4 karbon atau oksaloasetat ini diubah dulu menjadi malat dan dilepaskan menjadi CO2 lagi saat mencapai sel seludang berkas pembuluh untuk digunakan dalam reaksi gelap (Alberts, dkk. 2005).
Gambar 28. Perbedaan anatomi tumbuhan C3 dan C4 (Sumber: Molecular biology of the cell Fifth edition, Alberts dkk, 2008)
BAB IV PENUTUP
Kesimpulan Berdasarkan pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa kloroplas sebagai organel pembentuk energi memiliki struktur jauh lebih kompleks dan sangat rumit daripada yang dapat kita bayangkan. Secara umum, struktur organel ini terdiri atas membran yang terdiri atas 3 sistem membran yaitu membran luar, membran dalam, dan membran tilakoid. Diantara membran luar dan dalam terdapat ruang antar membran dan antara membran dalam dan membran tilakoid terdapat stroma. Sedangkan di dalam membran tilakoid terdapat lumen. Stroma
merupakan bagian berupa cairan menyerupai sitosol dan matriks mitokondria sebagai tempat terjadinya reaksi gelap serta tempat suspensi berbagai macam enzim, protein, plastida, grana, ribosom dan genom dari kloroplas. Seperti halnya mitokondria, kloroplas memiliki sistem genom sendiri terkait teori endosimbion yang mendukung. Grana merupakan daerah yang terdiri atas tumpukan tilakoid tempat terjadinya reaksi terang yang tergantung cahaya. Pada tilakoid ini tertanam berbagai macam protein yang berguna sebagai tempat aliran elektron dalam konversi energi cahaya menjadi energi kimia yang dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan. Dalam tilakoid terususun atas fotosistem-fotosistem yaitu suatu kantung protein rumit yang terdiri atas komposisi pigmen fotosinteik dan asesori yang bervariasi. Pada tumbuhan tingkat tinggi, dikenal dua fotosistem yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Keduanya memiliki kemampuan dalam menyerap gelombang cahaya pada panjang yang berbeda. Antara grana dan grana lain terhubung melalui suatu lamela dinamakan lamela grana sedangkan antara grana dan stroma dihubungkan oleh lamela stroma.
DAFTAR PUSTAKA Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. 2005. Molecular biology of the cell 5th edition. Garland Science.New York. Campbell, Reece & Mitchell. 2005. Biologi. Erlangga. Jakarta. Campbell, Reece & Mitchell. 2005. Campbell Biology 9th edition. Pearson. San Fransisco. Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology, Concepts and Experiments 6th Edition. John Willey & Sons, Inc. New York.
Taiz, Lincolin dan Zeiger, Eduardo. 2002. Plant Physiology 3rd Edition. Sinauer Associates. Sunderland, MA.
