e-Book Fisiologi Tumbuhan: Fotosintesis anyflip

MODUL FISIOLOGI UMBUHAN

MATERI: FOTOSINTESIS
PENULIS : Dra AMINAH ASNGAD, MSi

DAFTAR ISI

Judul Hal

HALAMAN JUDUL…………………………………………………………… 1

DAFTAR ISI .................................................................................................... ... 2

PENDAHULUAN ……………………………………………………………. 3
A. RUMUSAN CPMK…………………………………………………… 3

B. SUB CPMK…………………………………………………………… . 3
C. DESKRIPSI MATERI………………………………………………… 4

D. PEMBELAJARAN……………………………………………………. 4
1. TUJUAN PEMBELAJARAN…………………………………………. 4

2. URAIAN MATERI……………………………………………………. 4
3. RANGKUMAN……………………………………………………… 12

4. PENDALAMAN MATERI…………………………………………… 13
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………. 13

2

PENDAHULUAN
Program Studi Pendidikan Biologi FKIP UMS merupakan salah satu
institusi penghasil calon guru Biologi. Salah satu mata kuliah yang diajarkan adalah
fisiologi tumbuhan. Matakuliah Fisiologi Tumbuhan merupakan matakuliah yang
memberikan pengalaman dan pembekalan dalam memahami proses-proses yang
terjadi dalam kehidupan tumbuhan.
Salah satu faktor penting untuk meningkatkan mutu lulusan pendidikan
biologi adalah ketersediaan buku ajar dan modul Materi bahan ajar. Modul Materi
ini disusun dalam rangka memenuhi kebutuhan di atas, khususnya untuk mata
kuliah Fisiologi Tumbuhan yang dirasa sangat diperlukan. Materinya disusun
sesuai kurikulum pendidikan tinggi, dan isi materi ini diadaptasi dari berbagai
sumber.
Modul materi ini disusun mencakup pokok bahasan sesuai dengan capaian
pembelajaran yakni Mahasiswa mampu menganalisis konsep dan proses
fotosintesis pada tumbuhan beserta faktor-faktor yang memppngaruhi dengan
tujuan setelah mempelajari materi Fotosintesis, maka dapat mendeskripsikan
pengertian fotosintesis, menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi laju
fotosintesis, menjelaskan reaksi terang dan reaksi gelap fotosintesis dan
menjelaskan pigmen fotosintesis dan faktor yang mempengaruhi pembentukan
klorofil

A. Rumusan CPMK
Adapun rumusan CPMK yakni Mahasiswa mampu menganalisis konsep

dan proses fotosintesis dan respirasi pada tumbuhan beserta faktor-faktor yang
mempengaruhi secara berkelompok maupun madiri dengan menggunakan
teknologi informasi sehingga mampu menunjukkan sikap religious

B. Sub CPMK
Adapun Sub CPMK nya yakni mahasiswa mampu menganalisis proses

fotosintesis pada tumbuhan 1). mampu mengemukakan faktor-faktor yang
mempengaruhi fotosintesis. 2). mampu mengemukakan pigmen fotosintesis. 3).

3

mampu menganalisis faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan
klorofil. 4). mampu mengemukakan perbedaan reaksi terang (fotolisis) dan reaksi
gelap

C. Diskripsi Materi
Adapun Deskripsi dari materi fotosintesis adalah Mahasiswa mampu menganalisis
konsep dan proses fotosintesis dan respirasi pada tumbuhan beserta faktor-faktor
yang mempengaruhi secara berkelompok maupun madiri menggunakan teknologi
informasi sehingga mampu menunjukkan sikap religius.

D. Pembelajaran
1. Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari materi Unsur Hara, mahasiswa diharapkan:
a. Mendeskripsikan pengertian fotosintesis
b. Menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi laju fotosintesis
c. Menjelaskan reaksi terang dan reaksi gelap fotosintesis
d. Menjelaskan pigmen fotosintesis dan faktor yang mempengaruhi
pembentukan klorofil

2. Uraian Materi
Pengertian Fotosintesis

Fotosintesis dikenal sebagai suatu proses sintesis makanan yang dimiliki
oleh tumbuhan hijau dan beberapa mikroorganisme fotosintetik. Organisme yang
mampu mensintesis makanannya sendiri disebut sebagai organisme autrotof.
Autotrof dalam rantai makanan menduduki sebagai produsen.

Pada prinsinya komponen yang dibutuhkan dalam reaksi fotosintesis adalah
CO2 yang berasal dari udara dan H2O yang diserap dari dalam tanah. Selain itu
sesuai dengan namanya, foto yang artinya cahaya, maka reaksi ini membutuhkan
cahaya matari sebagai energi dalam pembuatan atau sintesis produk (senyawa gula
dan oksigen). Sumber energi cahaya alami adalah matahari yang memiliki spektrum
cahaya infra merah (tidak tampak), merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu

4

dan ultra ungu (tidak tampak). Yang digunakan dalam proses fetosintesis adalah
spektrum cahaya tampak, dari ungu sampai merah, infra merah dan ultra ungu tidak
digunakan dalam fotosintesis. Untuk membuktikan bahwa dalam fotosintesis
diperlukan energi cahaya matahari, dapat dilakukan percobaan Ingenhousz.

Glukosa adalah molekul yang dibentuk sebagai hasil dari proses fotosintesis
yang di dalamnya tersimpan hasil konversi energi cahaya matahari dalam bentuk
ikatan-ikatan kimia penyusun molekul tersebut. Glukosa merupakan senyawa
karbon yang nantinya digunakan bersama elemen-elemen lain di dalam sel untuk
membentuk senyawa kimia lain yang sangat penting bagi organisme tersebut,
seperti DNA, protein, gula dan lemak. Selain itu, organisme dapat memanfaatkan
energi kimia yang tersimpan dalam ikatan kimia di antara atom-atom penyusun
glukosa sebagai sumber energi dalam proses-proses di dalam tubuh.

Gambar.1. Struktur Anatomi Daun
Seperti organisme lainnya, tanaman tersusun atas sel-sel sebagai unit dasar
penyusun kehidupan tanaman. Sel-sel tanaman mengandung struktur yang disebut
kloroplas (Chloroplast) yang merupakan tempat terjadinya fotosintesis. Kloroplas

5

adalah organel khusus yang dimiliki oleh tanaman, berbentuk oval dan mengandung
klorofil (chlorophyll) yang dikenal dengan zat hijau daun. Seluruh bagian tumbuhan
yang merupakan struktur berwarna hijau, termasuk batang dan buah memiliki
kloroplas dalam setiap sel penyusunnya. Namun secara umum aktifitas fotosintesis
terjadi di dalam daun. (Gambar 3.1). Kepadatan kloroplas di permukaan daun suatu
tanaman rata-rata sekitar satu setengah juta per milimeter persegi.

Kloroplas memiliki struktur membran, yaitu membran luar (outer
membrane) dan membran dalam (inner membrane) yang dipisahkan olek ruang
intermembran. Membran dalam kloroplas mengalami modifikasi struktur yang
disebut dengan tilakoid (thylakoid) dan selanjutnya tumpukan tilakoid disebut
grana. Matrik yang ada di dalam kloroplas merupakan struktur gel yang disebut
dengan stroma (Stone, 2004).

Hampir semua makhluk hidup bergantung dari energi yang dihasilkan
dalam fotosintesis. Akibatnya fotosintesis menjadi sangat penting bagi kehidupan
di bumi. Fotosintesis juga berjasa menghasilkan sebagian besar oksigen yang
terdapat di atmosfer bumi. Organisme yang menghasilkan energi melalui
fotosintesis (photos berarti cahaya) disebut sebagai fototrof. Fotosintesis
merupakan salah satu cara asimilasi karbon karena dalam fotosintesis karbon bebas
dari CO2 diikat (difiksasi) menjadi gula sebagai molekul penyimpan energi. Cara
lain yang ditempuh organisme untuk mengasimilasi karbon adalah melalui
kemosintesis, yang dilakukan oleh sejumlah bakteri belerang.

Faktor penentu laju fotosintesis
Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis:
a. Intensitas cahaya, laju fotosintesis maksimum ketika banyak cahaya.
b. Konsentrasi karbon dioksida, semakin banyak karbon dioksida di udara, makin

banyak jumlah bahan yang dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan
fotosintesis.
c. Suhu, enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja
pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan
meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.

6

d. Kadar air, kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup,
menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju
fotosintesis.

e. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis), jika kadar fotosintat seperti karbohidrat
berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau
bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.

f. Tahap pertumbuhan, penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh
lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah daripada tumbuhan
dewasa. Hal ini dikarenakan tumbuhan yang sedang berkecambah memerlukan
lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.

Pigmen Fotosintesis
Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik.

Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya
mengandung kloroplast yang mengandung klorofil/ pigmen hijau yang merupakan
salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari.
Namun secara umum, semua sel yang memiliki kloroplas berpotensi untuk
melangsungkan reaksi ini.

Kloroplas terdapat pada semua bagian tumbuhan yang berwarna hijau,
termasuk batang dan buah yang belum matang. Di dalam kloroplas terdapat pigmen
klorofil yang berperan dalam proses fotosintesis. Kloroplas mempunyai bentuk
seperti cakram dengan ruang yang disebut stroma. Stroma ini dibungkus oleh dua
lapisan membran, Membran stroma ini disebut tilakoid, yang didalamnya terdapat
ruang-ruang antar membran yang disebut lokuli. Di dalam stroma juga terdapat
lamela-lamela dan terdapat tilakoid yang bertumpuk-tumpuk membentuk grana.
Bila sebuah grana disayat maka akan dijumpai beberapa komponen seperti protein,
klorofil a, klorofil b, karetonoid, dan lipid. (Gambar 3.2).

Secara keseluruhan, stroma berisi protein, enzim, DNA, RNA, gula fosfat,
ribosom, vitamin-vitamin, dan juga ion-ion logam seperti mangan (Mn), besi (Fe),
maupun perak (Cu). Pigmen fotosintetik terdapat pada membran tilakoid.
Sedangkan, pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam

7

tilakoid dengan produk akhir berupa glukosa yang dibentuk di dalam stroma.
Klorofil sendiri sebenarnya hanya merupakan sebagian dari perangkat dalam
fotosintesis yang dikenal sebagai fotosistem.

Gambar 3.2. Struktur kloroplas
3.1.1 Fotosistem

Fotosistem adalah suatu unit yang mampu menangkap energi cahaya
matahari yang terdiri dari klorofil a, kompleks antena, dan akseptor elektron. Di
dalam kloroplas terdapat beberapa macam klorofil dan pigmen lain, seperti klorofil
a yang berwarna hijau muda, klorofil b berwarna hijau tua, dan karoten yang
berwarna kuning sampai jingga. Pigmen-pigmen tersebut mengelompok dalam
membran tilakoid dan membentuk perangkat pigmen yang berperan penting dalam
fotosintesis.
Reaksi terang

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi
NADPH2. Reaksi ini memerlukan molekul air. Proses diawali dengan penangkapan
foton oleh pigmen sebagai antena. Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya

8

terlihat pada warna biru (400-450 nanometer) dan merah (650-700 nanometer)
dibandingkan hijau (500-600 nanometer). Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan
ditangkap oleh mata kita sehingga menimbulkan sensasi bahwa daun berwarna
hijau.

Reaksi gelap
Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus

Calvin-Benson (Gambar 3.4) dan siklus Hatch-Slack. Pada siklus Calvin-Benson
tumbuhan mengubah senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat menjadi senyawa dengan
jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa 3-phosphogliserat. Oleh karena itulah
tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan
C3.

Penambatan CO2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh
enzim rubisco. Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch-Slack
disebut tumbuhan C4 karena senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO2
adalah oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon. Enzim yang berperan adalah
phosphoenolpyruvate carboxylase (PEP karboksilase).

Tanaman C3, C4, dan CAM
Berdasarkan metabolisme fotosintesis dan anatomi daunnya, tumbuhan

dikelompokkan ke dalam 3 grup:
a. Tumbuhan C3

Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari daerah
subtropis.Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO2 melalui
siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO2.Tumbuhan
C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa.Namun, ATP ini
dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi jika ada
fotorespirasi di mana enzim Rubisco tidak menambat CO2 tetapi menambat O2.

Reduksi karbon terjadi melalui siklus Calvin (siklus C3). Disebut tumbuhan
C3 karena senyawa awal yang terbentuk berkarbon 3 (fosfogliserat) Sebagian besar
tumbuhan tinggi masuk ke dalam kelompok tumbuhan C3. Apabila stomata

9

menutup akibat stress terjadi peningkatan fotorespirasi pengikatan O2 oleh enzim
Rubisco.
b. Tumbuhan C4

Tumbuhan C4 adalah tumbuhan yang umumnya ditemukan di daerah tropis
Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2 menjadi glukosa.
Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan
mengikat CO2 dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat
akan diubah menjadi malat.Malat akan terkarboksilasi menjadi piruvat dan
CO2.Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO2 akan masuk ke dalam
siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan melibatkan enzim RuBP.
Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack (Gambar 3.5), yang terjadi di sel mesofil.
Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP.

Pengikatan CO2 di udara melalui lintasan C4 di sel mesofil dan reduksi karbon
melalui siklus Calvin (siklus C3) di dalam sel seludang pembuluh. Fototrespirasi
tidak terjadi/rendah sekali. Sel seludang pembuluh berkembang dengan baik dan
banyak mengandung kloroplas. Fotosintesis terjadi di dalam sel mesofil dan sel
seludang pembuluh. Pengikatan CO2 di udara terjadi di dalam sel mesofil melalui
lintasan C4 dan reduksi karbon terjadi di dalam sel seludang pembuluh melalui
siklus Calvin (siklus C3). Beberapa tumbuhan tropis termasuk dalam C4 seperti
jagung, tebu dan bayam (Amaranthus sp.)

Sumber: http://id.wikipedia.org

Gambar 3.5. Siklus Hatch-Slack
c. Tumbuhan CAM

Umumnya tumbuhan yang beradaptasi pada keadaan kering seperti kaktus,
anggrek dan nenas. Reduksi karbon melalui lintasan C4 dan C3 dalam sel mesofil
tetapi waktunya berbeda. Pada malam hari terjadi lintasan C4 pada siang hari terjadi
siklus C3. Pada malam hari asam malat tinggi, pada siang hari asam malat rendah.
ATP dihasilkan dari proses oksidasi molekul organik (seperti glukosa) di dalam sel
hidup.

10

Karakteristik tumbuhan CAM adalah mampu hidup di daerah yang kering
dan panas, membuka stomata pada malam hari dan menutup stomata pada siang
hari, stomata yang menutup pada siang hari akan membuat tumbuhan ini mampu
menekan penguapan sehingga dapat menghemat air, tetapi mencegah masuknya
CO2.

Saat stomata terbuka pada malam hari, CO2 di dalam sitoplasma sel-sel
mesofil akan diikat oleh PEP dengan bantuan enzim PEP karboksilase, sehingga
terbentuk oksaloasetrat yang kemudian akan diubah menjadi malat (sama dengan
tumbuhan C4), selanjutnya malat yang telah terbentuk akan disimpan dalam
vakuola sek mesofi hingga pagi hari. Pada siang hari pada saat reaksi terang terjadi,
akan menyediakan ATP dan NADPH untuk siklus Calvin, malat akan dipecah lagi
menjadi CO2 dan piruvat.

Sumber: sudi8iologi.wordpress.com
Gambar 3.6. Fotosintesis pada tumbuhan CAM

11

Kemosintesis

Tidak semua tumbuhan dapat melakukan asimilasi C menggunakan cahaya

sebagai sumber energi. Beberapa macam bakteri yang tidak mempunyai klorofil

dapat mengadakan asimilasi C dengan menggunakan energi yang berasal dan

reaksi-reaksi kimia, misalnya bakteri sulfur, bakteri nitrat, bakteri nitrit, bakteri besi

dan lain-lain. Bakteri-bakteri tersebut memperoleh energi dari hasil oksidasi

senyawa-senyawa tertentu. Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara

oksidasi Fe2+ (ferro) menjadi Fe3+ (ferri). Bakteri Nitrosomonas dan Nitrosococcus

memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH3, tepatnya Amonium Karbonat

menjadi asam nitrit dengan reaksi:

Nitrosomonas

(NH4)2CO3 + 3 O2 2 HNO2 + CO2 + 3 H20 + Energi

Nitrosococcus

Rangkuman
Fotosintesis adalah proses pemanfaatan energi cahaya untuk mengubah

karbondioksida dari udara dan air menjadi senyawa gula dan oksigen. Fotosintesis
terdiri dari tahap penting yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Reaksi terang adalah
reaksi tergantung cahaya yang terjadi di grana, dimana terjadi proses fotolisis air
atau pemecahan air oleh cahaya yang menghasilkan ATP dan NADPH serta
oksigen. Sedangkan reaksi gelap yaitu reaksi tidak tergantung cahaya yang terjadi
di stroma. Reaksi ini menggunakan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk
mereduksi CO2 menjadi senyawa gula melalui siklus Calvin.

Cahaya yang paling efektif diserap oleh klorofil pada saat reaksi terang
adalah spektrum warna biru dan merah, sedangkan cahaya lain khususnya cahaya
hijau umumnya dipantulkan. Pigmen yang berperan dalam penangkapan cahaya
adalah klorofil a, klorofil b dan karoten.

Pada tahap reaksi gelap fotosintesis terjadi 3 tahapan yaitu proses fiksasi
CO2 oleh RuBP yang dibantu oleh enzim rubisco, proses reduksi yaitu mereduksi
dua gugus 3-fosfogliserat (PGA) menjadi satu gugus 3-fosfogliseraldehid (PGAL).
dan tahap ketiga adalah regenerasi, dari 6 mol gliseraldehid-3-phospat (G3P), 1 mol

12

akan diubah menjadi gula sedangkan 5 mol lainnya akan diubah menjadi RuBP
kembali.

Terdapat beberapa tumbuhan yang sedikit berbeda dalam pengikatan CO2
pada proses fotositesis, yaitu tumbuhan C4 dan CAM. Tumbuhan C4 melibatkan
PEP karboksilase dalam mengikat CO2 dan mengubahnya menjadi asam
oksaloasetat (terjadi di sel mesofil daun), setelah itu asam oksaloasetat akan diubah
menjadi malat dan dikirim menuju sel seludang pembuluh. Dalam sel seludang
pembuluh, malat akan melepaskan CO2 dan akan ditangkap oleh enzim Rubisco
dan masuk ke dalam siklus Calvin. Pada tumbuhan CAM, pengikatan CO2
dilakukan pada malam hari karena ketika siang stomata menutup. CO2 disimpan
ketika malam hari dan ketika siang hari CO2 digunakan untuk siklus Calvin. Contoh
tumbuhan CAM adalah nanas dan kaktus.

Pendalaman Materi
a. Pada penangkapan cahaya matahari terdapat 2 lintasan elektron yaitu
fotofosrorilasi siklik dan non siklik. Jelaskan perbdaan antara keduanya!
b. Pada fotosintesis terdapat 2 tahap yaitu reaksi terang dan reaksi gelap.
Jelaskan proses pada reaksi gelap (siklus Calvin)!
c. Klorofil adalah pigmen penangkap cahaya pada proses fotosintesis.
Spektrum cahaya manakah yang dapat ditangkap oleh klorofil? Mengapa?

DAFTAR PUSTAKA
Hamim. 2007. Fisiologi Tumbuhan. Jakarta: Universitas terbuka.
Lakitan, Benyamin. 2015. Dasar-Dasar Fisiologi Tumbuhan. Jakarta: PT Raja

Grafindo Persada.
Meyer, B.S; and Anderson, D.B. 1952. Plant Physiology. New York: D Van

Nostrad Company Inc.
Raven, Peter. 2005. Biology. Boston: Twayne Publishers.
Rianawati, Ida. 2009. Fotosintesis. diakses dari: [email protected]
Salisbury, Frank B et al. 1995. Plant Physiology 2nd edition. New York: Mc Graw

Hill Company.

13

Taiz, L; and Zeiger E. 2002. Plant Physiology (3rd Edition). Massachusetts: Sinauer
Associates, Inc. Publisher.

14