Apa Jenis Reaksi Fotosintesis?

Tanpa rangkaian reaksi kimia yang secara kolektif dikenal sebagai fotosintesis, Anda tidak akan berada di sini dan tidak ada orang lain yang Anda kenal. Hal ini mungkin mengejutkan Anda sebagai klaim yang aneh jika Anda mengetahui bahwa fotosintesis hanya terjadi pada tumbuhan dan beberapa mikro-organisme, dan tidak ada satu sel pun di tubuh Anda atau sel hewan mana pun yang memiliki alat untuk melakukan berbagai reaksi yang elegan ini. Apa yang memberi?

Sederhananya, kehidupan tumbuhan dan kehidupan hewan hampir bersimbiosis sempurna, artinya cara tumbuhan memenuhi kebutuhan metabolismenya sangat bermanfaat bagi hewan dan sebaliknya. Dalam istilah yang paling sederhana, hewan mengambil gas oksigen (O₂) untuk memperoleh energi dari sumber karbon non-gas dan mengeluarkan gas karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O) dalam prosesnya, sedangkan tanaman menggunakan CO₂ dan H₂O untuk membuat makanan dan melepaskan O₂ ke lingkungan. Selain itu, sekitar 87 persen energi dunia saat ini berasal dari pembakaran bahan bakar fosil, yang pada akhirnya juga merupakan produk fotosintesis.

Kadang-kadang dikatakan bahwa "fotosintesis bagi tumbuhan seperti halnya respirasi bagi hewan", tetapi analogi ini salah karena tumbuhan menggunakan keduanya, sedangkan hewan hanya menggunakan respirasi. Pikirkan fotosintesis sebagai cara tanaman mengkonsumsi dan mencerna karbon, mengandalkan cahaya daripada penggerak dan tindakan makan untuk menempatkan karbon dalam bentuk yang dapat digunakan oleh mesin seluler kecil.

Fotosintesis, meskipun tidak digunakan secara langsung oleh sebagian besar makhluk hidup, dapat secara wajar dipandang sebagai satu-satunya proses kimia yang bertanggung jawab untuk memastikan keberadaan kehidupan yang berkelanjutan di Bumi itu sendiri. Sel fotosintesis mengambil CO₂ dan H₂O dikumpulkan oleh organisme dari lingkungan dan menggunakan energi dari sinar matahari untuk menggerakkan sintesis glukosa (C₆H₁₂HAI₆), melepaskan O₂ sebagai produk limbah. Glukosa ini kemudian diproses oleh sel-sel yang berbeda di tumbuhan dengan cara yang sama seperti glukosa digunakan oleh hewan sel: Ia mengalami respirasi untuk melepaskan energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) dan melepaskan BERSAMA₂ sebagai produk limbah. (Fitoplankton dan cyanobacteria juga menggunakan fotosintesis, tetapi untuk tujuan diskusi ini, organisme yang mengandung sel fotosintesis disebut secara umum sebagai "tanaman.")

Organisme yang menggunakan fotosintesis untuk membuat glukosa disebut autotrof, yang diterjemahkan secara longgar dari bahasa Yunani menjadi "makanan sendiri". Artinya, tanaman tidak bergantung pada organisme lain secara langsung untuk makanan. Hewan, di sisi lain, adalah heterotrof ("makanan lain") karena mereka harus menelan karbon dari sumber hidup lain untuk tumbuh dan tetap hidup.

Fotosintesis dianggap sebagai reaksi redoks. Redoks adalah kependekan dari "reduksi-oksidasi", yang menggambarkan apa yang terjadi pada tingkat atom dalam berbagai reaksi biokimia. Rumus lengkap dan seimbang untuk rangkaian reaksi yang disebut fotosintesis – komponen-komponennya akan segera dieksplorasi – adalah:

6H₂O + cahaya + 6CO₂ → C₆H₁₂HAI₆ + 6O₂

Anda dapat memverifikasi sendiri bahwa jumlah setiap jenis atom adalah sama di setiap sisi panah: Enam atom karbon, 12 atom hidrogen, dan 18 atom oksigen.

Reduksi adalah pelepasan elektron dari atom atau molekul, sedangkan oksidasi adalah perolehan elektron. Sejalan dengan itu, senyawa yang mudah menghasilkan elektron ke senyawa lain disebut zat pengoksidasi, sedangkan senyawa yang cenderung mendapatkan elektron disebut zat pereduksi. Reaksi redoks biasanya melibatkan penambahan hidrogen pada senyawa yang direduksi.

Langkah pertama dalam fotosintesis dapat disimpulkan sebagai "biarlah ada cahaya." Sinar matahari menyinari permukaan tanaman, membuat seluruh proses bergerak. Anda mungkin sudah menduga mengapa banyak tanaman terlihat seperti itu: Sebagian besar luas permukaan dalam bentuk daun dan cabang yang mendukung mereka yang tampaknya tidak perlu (walaupun menarik) jika Anda tidak tahu mengapa organisme ini terstruktur cara ini. "Tujuan" tanaman ini adalah mengekspos dirinya ke sinar matahari sebanyak mungkin – membuat yang terpendek, terkecil tanaman di ekosistem apa pun lebih seperti kerdil dari kotoran hewan karena mereka berdua berjuang untuk mendapatkan cukup energi. Daun, tidak mengherankan, sangat padat dalam sel fotosintesis.

Sel-sel ini kaya akan organisme yang disebut kloroplas, di mana pekerjaan fotosintesis dilakukan, sama seperti mitokondria adalah organel tempat respirasi terjadi. Faktanya, kloroplas dan mitokondria secara struktural sangat mirip, fakta bahwa, seperti hampir semua hal di dunia biologi, dapat ditelusuri ke keajaiban evolusi.) Kloroplas mengandung pigmen khusus yang secara optimal menyerap energi cahaya daripada memantulkan saya t. Apa yang dipantulkan daripada diserap kebetulan berada dalam kisaran panjang gelombang yang ditafsirkan oleh mata dan otak manusia sebagai warna tertentu (petunjuk: Dimulai dengan "g"). Pigmen utama yang digunakan untuk tujuan ini dikenal sebagai klorofil.

Kloroplas dikelilingi oleh membran plasma ganda, seperti halnya dengan semua sel hidup serta organel yang dikandungnya. Pada tumbuhan, bagaimanapun, membran ketiga ada di dalam bilayer plasma, yang disebut membran tilakoid. Selaput ini dilipat sangat luas sehingga struktur seperti cakram yang ditumpuk di atas satu sama lain menghasilkan, tidak seperti paket permen nafas. Struktur tilakoid ini mengandung klorofil. Ruang antara membran kloroplas bagian dalam dan membran tilakoid disebut stroma.

Fotosintesis dibagi menjadi serangkaian reaksi yang bergantung pada cahaya dan tidak bergantung pada cahaya, biasanya disebut reaksi terang dan gelap dan dijelaskan secara rinci nanti. Seperti yang mungkin telah Anda simpulkan, reaksi terang terjadi lebih dulu.

Ketika cahaya dari matahari mengenai klorofil dan pigmen lain di dalam tilakoid, pada dasarnya meledak. elektron dan proton dari atom dalam klorofil dan mengangkatnya ke tingkat energi yang lebih tinggi, membuatnya lebih bebas untuk migrasi. Elektron dialihkan ke dalam reaksi berantai transpor elektron yang terjadi pada membran tilakoid itu sendiri. Di sini, akseptor elektron seperti NADP menerima beberapa elektron ini, yang juga digunakan untuk mendorong sintesis ATP. ATP pada dasarnya untuk sel seperti dolar bagi sistem keuangan AS: Ini adalah "mata uang energi" yang menggunakan hampir semua proses metabolisme pada akhirnya dilakukan.

Sementara ini terjadi, molekul klorofil yang berjemur tiba-tiba menemukan diri mereka kekurangan elektron. Di sinilah air memasuki keributan dan menyumbangkan elektron pengganti dalam bentuk hidrogen, sehingga mengurangi klorofil. Dengan hilangnya hidrogen, yang dulunya air sekarang menjadi oksigen molekuler – O₂. Oksigen ini berdifusi keluar dari sel dan keluar dari tanaman seluruhnya, dan beberapa di antaranya telah berhasil masuk ke paru-paru Anda tepat pada detik ini.

Fotosintesis disebut reaksi endergonik karena memerlukan masukan energi agar dapat berlangsung. Matahari adalah sumber utama dari semua energi di planet ini (fakta yang mungkin dipahami pada tingkat tertentu oleh berbagai macam) budaya kuno yang menganggap matahari sebagai dewa dalam dirinya sendiri) dan tanaman adalah yang pertama mencegatnya untuk penggunaan yang produktif. Tanpa energi ini, tidak akan ada cara bagi karbon dioksida, molekul kecil yang sederhana, untuk diubah menjadi glukosa, molekul yang jauh lebih besar dan lebih kompleks. Bayangkan diri Anda menaiki tangga sementara entah bagaimana tidak mengeluarkan energi apa pun, dan Anda dapat melihat masalah yang dihadapi oleh tanaman.

Dalam istilah aritmatika, reaksi endergonik adalah reaksi di mana produk memiliki tingkat energi yang lebih tinggi daripada reaktan. Kebalikan dari reaksi ini, secara energetik, disebut eksergonik, di mana produk memiliki energi lebih rendah daripada reaksi dan energi dibebaskan selama reaksi. (Ini sering dalam bentuk panas – sekali lagi, apakah Anda menjadi lebih hangat atau Anda menjadi lebih dingin dengan olahraga?) Ini dinyatakan dalam energi bebas G° reaksi, yang untuk fotosintesis adalah +479 kJ mol^-1 atau 479 joule energi per mol. Tanda positif menunjukkan reaksi endoterm, sedangkan tanda negatif menunjukkan proses eksoterm.

Pada reaksi terang, air dipecah oleh sinar matahari, sedangkan pada reaksi gelap, proton (H⁺) dan elektron (e⁻) yang dibebaskan dalam reaksi terang digunakan untuk merakit glukosa dan karbohidrat lain dari CO₂.

Reaksi terang diberikan oleh rumus:

2H₂O + cahaya → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG° = +317 kJ mol⁻¹)

dan reaksi gelap diberikan oleh:

BERSAMA₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG° = +162 kJ mol⁻¹)

Secara keseluruhan, ini menghasilkan persamaan lengkap yang diungkapkan di atas:

H₂O + cahaya + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG° = +479 kJ mol⁻¹)

Anda dapat melihat bahwa kedua rangkaian reaksi adalah endergonik, reaksi terang lebih kuat.

Penggabungan energi dalam sistem kehidupan berarti menggunakan energi yang tersedia dari satu proses untuk mendorong proses lain yang tidak akan terjadi. Masyarakat itu sendiri bekerja dengan cara ini: Bisnis sering kali harus meminjam uang dalam jumlah besar di muka untuk mendapatkan tanah, tetapi pada akhirnya beberapa dari bisnis ini menjadi sangat menguntungkan dan dapat menyediakan dana untuk perusahaan rintisan lainnya perusahaan.

Fotosintesis merupakan contoh yang baik dari penggabungan energi, karena energi dari sinar matahari digabungkan ke reaksi dalam kloroplas sehingga reaksi dapat berlangsung. Pabrik akhirnya menghargai siklus karbon global dengan mensintesis glukosa dan senyawa karbon lainnya yang dapat digabungkan ke reaksi lain, segera atau di masa depan. Misalnya, tanaman gandum menghasilkan pati, digunakan di seluruh dunia sebagai sumber makanan utama bagi manusia dan hewan lainnya. Tetapi tidak semua glukosa yang dibuat oleh tanaman disimpan; beberapa di antaranya berlanjut ke berbagai bagian sel tumbuhan, di mana energi yang dibebaskan dalam glikolisis akhirnya digabungkan dengan reaksi di mitokondria tumbuhan yang menghasilkan pembentukan ATP. Sementara tanaman mewakili bagian bawah rantai makanan dan secara luas dipandang sebagai energi pasif dan oksigen donor, mereka memiliki kebutuhan metabolisme mereka sendiri, harus tumbuh lebih besar dan bereproduksi seperti yang lain organisme.

Selain itu, siswa sering mengalami kesulitan belajar menyetarakan reaksi kimia jika tidak diberikan dalam bentuk yang seimbang. Akibatnya, dalam mengutak-atik mereka, siswa mungkin tergoda untuk mengubah nilai-nilai subskrip dalam molekul dalam reaksi untuk mencapai hasil yang seimbang. Kebingungan ini mungkin berasal dari mengetahui bahwa diperbolehkan untuk mengubah angka di depan molekul untuk menyetarakan reaksi. Mengubah subskrip molekul apa pun mengubah molekul itu menjadi molekul yang berbeda sama sekali. Misalnya, mengubah O₂ ke O₃ tidak hanya menambahkan 50 persen lebih banyak oksigen dalam hal massa; itu mengubah gas oksigen menjadi ozon, yang tidak akan berpartisipasi dalam reaksi yang sedang dipelajari dengan cara yang mirip dari jarak jauh.