Pertanyaan Kunci:

1.        Jelaskan struktur umum kloroplas! Mencakup batasan konseptual dan semua komponennya!

2.        Bedakan antara Thylakoid kecil dan Thylakoid besar?

3.        Di dalam kloroplas, pigmen klorofil berada/menempati tempat sebagai struktur apa?

4.        Struktur cairan/isi dalam kloroplas yang analog/identik dengan struktur dan fungsi sitosol dalam membran sel, disebut sebagai struktur apa?

5.        Jelaskan apa fungsi dari kloroplas didalam sel!

6.        Tuliskan reaksi kimia sederhana dari proses fotosintesis yang terjadi dalam kloroplas?

7.        Jelaskan komposisi kimia dari membran kloroplas khusunya membran Thylakoid!

8.        Pada reaksi fotosintesis yang detail dengan kedalaman informasi kompleks dari proses reaksi kimia berantai, tergambar 2 reaksi kimia dasar yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Berikut ini jelaskan konsep terkait didalamnya!

a.         Tujuan reaksinya apa?

b.        Bahan dasar atau substrat yang dibutuhkan apa?

c.         Tempat terjadinya dimana/organel apa?

d.        Proses reaksi kimia yang terjadi bagaimana?

1)   Mekanisme/urutan  reaksi kimia dari reaksi terang?

2)   Mekanisme/urutan  reaksi kimia dari reaksi gelap?

e.         Hasil reaksinya apa?

Lebih mudahnya dapat dijelaskan dengan bagan, tabel dan keterangan singkat dari deskripsi bagan atau tabel.

9.      Jelaskan hubungan keterkaitan  yang saling membutuhkan pada setiap reaksi kimia dalam sel antara mitokondria dan kloroplas!

Jawaban :

1.      Kloroplas tumbuhan merupakan struktur yang memipih dengan panjang rata-rata 7µm dan lebar 3-4  µm. Secara umum suatusel mesofil daun mengandung 30 sampai 500 butir kloroplas yang berbentuk cakram atau gelendong. Kloroplas merupakan organela yang mengandung klorofil, merupakan salah satu jenis dari kelompok organela dalamtumbuhan yang disebut plastida.

a)      Membran luar

Membran luar permukaannya rata. Antara membran luar dan membran dipisahkan oleh ruang antar membran yang tebalnya 10 nm. Membran ini membrane rangkap yang bersifat diferensial permeable dan mengatur lalu lintas molekul keluar masuk kloroplas. Senyawa-senyawa dengan berat molekul rendah, sepeti : nukleotida, fosfat organik derivat yang mengandung fosfat, asam karboksilat, dan sukrosa. Dengan demikian ruang antar membran mengandung molekul-molekul nutrien sitosilik.

b)      Membran dalam

Membran dalam bekerja sebagai pembatas fungsional antara sitosol dan stroma. Membran ini bersifat non-permeabel bagi sukrosa dan berbagai anion, misalnya di- dan trikaboksilat, fosfat dan senyawa-senyawa nukleotida dan gula fosfat. Namun, membran ini permeabel bagi CO₂ dan asam-asam monokarboksilat tertentu, misalnya asam asetat, asam gliserat, dan asma glikolat. Tetapi, membran dalam kurang permeabel terhadap asam amino. Membran dalam mengandung protein pembawa tertentu untuk mengangkut fosfat, fosfogliserat, dihidrokaseton fosfat, dikarboksilat dan ATP.

c)      Sistem Membran Bagian Dalam

Bagian dalam dari kloroplas mengandung DNA, RNAs, ribosom, stroma (tempat terjadinya reaksi gelap), tilakoid dan granium. Sistem membran bagian dalam ini tersusun oleh lamela-lamela yang membentuk tilakoid mengandung enzim lengkap untuk melaksanakan reaksi-reaksi fotosintesis yang bergantung cahaya.

-          Stroma, merupakan matriks fluida yang bersifat amorf seperti gel dan kaya akan enzim. Enzim pada stroma dapat mengubah CO₂ menjadi karbohidrat, khususnya pati. Beberapa macam partikel juga terdapat seperti pati, plastoglobulin, yaitu tempat penyimpanan lipida, plastokinon, dan tokoforilkinon. Di dalam stroma terdapat tilakoid yang mengandung pigmen. Stroma juga mengandung ribosom dan ADN

-          Tilakoid, memiliki bentuk seperti cakram, beberapa tilakoid membentuk tumpukan seperti tumpukan koin yang disebut grana, sehingga setiap tilakoidnya disebut tilakoid grana. Bagian dalam tilakoid disebut lokulus atau Lumen Tilakoid.

-          Tilakoid grana, merupakan tempat dimana energi dari cahaya digunakan untuk mengoksidasi H₂O dan membentuk ATP serta NADPH yang kaya energi yang diperlukan stroma untuk mengubah CO₂ menjadi karbohidrat.

-          Grana (granium), merupakan tumpukan beberapa tilakoid. Daerah satu grana dengan grana yang lain dihubungkan oleh tilakoid yang lebih panjang disebut tilakoid stroma. Diantara dua membran tilakoid stroma terdapat lumen yang berisi garam dan air terlarut dan beberapa khusus dalam fotosintesis (lihat gambar 1)

Gambar 1. Struktur Kloroplas

2.      Tilakoid kecil dan tilakoid besar :

-          Tilakoid kecil merupakan lamela dalam kloroplas tumbuhan tinggi tersusun membentuk kantung-kantung berbentuk cawan. Tilakoid-tilakoid ini seringkali tersusun secara bertumpuk-tumpuk yang disebut granum yang mempunyai diameter 300-600 nm. Kloroplas tertentu mempunyai 40-60 grana dan masing-masing granum terdiri dari 2 sampai 100 tilakoid kecil. Tilakoid kecil seringkali melebar secara radial membentuk percabangan atau tikaoid besar.

-          Tilakoid besar berbentuk saluran-saluran yang saling berhubungan dan membentuk anyaman di dalam stroma. Tilakoid ini merupakan percabangan dari tilakoid kecil yang membesar secara radial yang berhubungan dengan tilakoid kecil lainnya dan grana. Kumpulan dari tilakoid yang bercabang membentuk jalinan anastomosis yang disebut lamela stroma atau tilakoid stroma.

3.      Pigmen klorofil terdapat dalam membran tilakoid dan perubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedangkan pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintesis berlangsung di stroma. Disamping klorofli a (pigmen berwarna hijau) dikenal pula klorofil b yang mempunyai struktur mirip klorofil a, yaitu pigmen yang berwarna kuning sampai jingga yang disebut karoten. Sebagian besar terdiri dari dua jenis klorofil yaitu klorofil a dan klorofil b. Kebanyakan klorofil a dan klorofil b terdapat pada semua tumbuhan tingkat tinggi dan sebagian tumbuhan tingkat rendah tertentu. Jenis klorofil lainnya yaitu klorofil c dan klorofil d hanya terdapat pada golongan tumbuhan tingkat rendah, misalnya alga. Struktur molekul klorofil, terdiri atas porifirin dan rantai hidrokarbon yang panjang, yaitu rantai fitol.

4.      Di dalam kloroplas, pigmen klorofil berada/menempati tempat sebagai struktur stroma, bersifat amorf seperti gel dan kaya akan enzim.enzim pada stroma ini dapat mengubah CO₂ menjadi karbohidrat (pati)

5.      Kloroplas sebagai organela pembangkit tenaga mempunyai dua fungsi utama, yaitu mensintesis energi berupa ATP dan NADPH melalui jalur fosforilasi dan metabolisme karbon melalui fotosintesis. Di dalam kloroplas terdapat pigmen yang berwarna hijau yang disebut klorofil. Pigmen ini dapat menyerap energi cahaya.

6.      Fotosintesis yang merupakan suatu proses pembentukan bahan organik dari bahan anorganik (CO₂, H₂O, H₂S) dengan bantuan cahaya dan klorofil. Reaksi kimia sederhana dari proses fotosintesis adalah sebagai berikut :

6CO2 + 12H2O + energi cahaya -> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

7.      Membran tilakoid mengandung lipida kurang lebih 50% dan kurang dari 10% diantaranya adalah fosfolipida. Lipida yang khas bagi klorofil adalah galaktolipida dan sulfolipida, yang masing-masing 45% dan 4% dari total lipida. Selain itu, terdapat molekul-molekul lipida seperti klorofil, karotenoid, dan plastokuinon. Jumlah klorofil kurang lebih 20% dari lipida membran tilakoid.

8.      Reaksi Terang dan Reaksi Gelap dalam proses fotosintesis,

a)      Tujuan dari reaksi terang ini, yakni menyimpan energi cahaya matahari dalam bentuk ATP dan NADPH yang menyediakan tenaga pereduksi yang diperlukan untuk biosintesa karbohidrat. Sedangkan pada reaksi gelap, tujuan dari reaksi ini adalah membentuk gula C-3 yang akan diubah menjadi zat pati dan sukrosa, dari bahan dasar CO₂ yang diperoleh dari udara dan energi dari hasil reaksi terang.

b)      Bahan anorganik : CO₂, H₂O dan cahaya matahari (pada reaksi terang), sedangkan pada reaksi gelap enzim stroma kloroplas tidak memerukan cahaya tetapi membutuhkan ATP dan NADPH₂ yan dihasikan dalam reaksi fotokimia (reaksi teang), reaksi termokimia (reaksi gelap) menghaskan karbohidrat.

c)      Reaksi terang berlangsung di tilakoid grana karena tilakoid grana merupakan tempat dimana energi dari cahaya digunakan untuk mengoksidasi H₂Odan membentuk ATP serta NADPH yang kaya energi, yang iperlukan stroma untuk mengubah CO₂ menjadi karbohidrat. Sehingga, reaksi sintesis (reaksi gelap) berlangsung di stroma.

d)      Reaksi Terang =

Apabila klorfil terkena sinar, klorofil tersebut aan memiliki elektron berenergi tinggi yang siap dilepaskan (klorofil aktif). Elektron klorofil akan tereksitasi dan ditangkap oleh berbagai akseptor elektron (aseptor ini umumnya merupakan senyawa-senyawa organik dalam sel) menuju NADP. Jadi kloril aktif ini bertanggung jawab terhadap reduksi NADP. Dalam proses peindaha tersebut energi dibebaskan dan digunakan untuk mengabungan fosfat dan ADP sehingga terbentuk ATP. Proses pemindahan elektron ini disebut fotofosforilasi, yaitu pemindahan ATP yang terkait dengan sinar dan arus elektron dalam fotosintesis. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I. Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer, sedangkan fotosistem I 700 nanometer. Kedua fotosistem ini akan bekerja secara simultan dalam fotosintesis, seperti dua baterai dalam senter yang bekerja saling memperkuat. Fotosintesis dimulai ketika cahaya mengionisasi molekul klorofil pada fotosistem II, membuatnya melepaskan elektron yang akan ditransfer sepanjang rantai transpor elektron. Energi dari elektron ini digunakan untuk fotofosforilasi yang menghasilkan ATP.

Reaksi Gelap =

Reaksi fiksasi CO₂ atau reaksi gelap berlangsung pada stroma. Reaksi ini dalam prosesnya tidak tergantung pada adanya cahaya tetapi bergantung pada suhu. Energi dalam bentuk ATP dan NADPH₂ yang dihasilkan pada reaksi cahaya digunakan untuk mereduksi CO₂ menjadi karbohidrat. Karbondioksida berdifusi dari luar daun melalui stomata ke dalam ruang antar sel, kemudian CO₂ berdifusi ke dalam sel-sel mesofil hingga mencapai kloroplas. Enzim yang membantu yakni RuBP karboksilase.

Reaksi pertamanya merupakan reaksi antara CO₂ dengan RuBP menghasilkan asam ber-karbon tiga, yaitu 2 APG (Asam 3 fosfogliserat/ Phosphogliserat Acid) dan selanjutnya sebagian APG diubah menjadi karbohidrat. Karena senyawa pertama yang dihasilkan adalah senyawa berkarbon tiga, maka daur reaksi disebut daur C₃ dan tumbuhan yang melaksankan daur ini dinamakan tumbuhan C₃. Reaksi keseluruhan reduksi CO₂ adalah sebagai berikut :

3RuBP + 3CO2 + 3H20 -> 6APG (asam 3 fosfogliserat)

6APG + 6ATP + 6NADPH -> 6ALPG + 6NADP + 6ADP + 6Pi

Gliseraldehid 3 fosfat (ALP) merupakan produk fotosintesis sebagai bahan dasar penyusun gula, tepung, lemak, protein dan lain-lain. Jadi produksi ALPG akan digunakan untuk : 1) Sebagian besar untuk melanjutkan fiksasi CO₂ (siklus Calvin) ; 2) Sebagian untuk sintesis glukosa, tepung, lemak, protein.

e)      Hasil reaksi terang berupa ATP dan NADPH₂ dan oksigen. Dan untuk reaksi gelap hasil reaksinya berupa glukosa.

9.      Mitokondria sebagai pabrik energi sel yang menghasilkan energi dalam bentuk ATP. Proses pembentukan energi atau dikenal sebagai fosforilasi oksidatif terdiri atas lima tahapan reaksi enzimatis yang melibatkan kompleks enzim yang terdapat pada membran bagian dalam mitokondria. Pada kloroplas mensintesis energi berupa ATP dan NADPH melalui jalur fosforilasi dan metabolisme karbon melalui fotosintesis.