KLOROPLAS

Oleh Nurul Asikin, S.Pd., M.Pd.

KLOROPLAS

  1. Struktur Kloroplas

Salah satu organela yang terdapat pada tumbuhan adalah kloroplas. Sel-sel tumbuhan tingkat tinggi umumnya memiliki antara 50-200 organela klroplas. Kloroplas dapat dilihat menggunakan mikroskop cahaya dengan perbesaran yang paling kuat. Panjang kloroplas antara 5-10 µm dan ketebalan antara 2-4 µm.  Dilihat dari atas bentuknya lonjong atau ellipsoid, dilihat dari salah satu sisi dapat berupa permukaan atas cembung dan permukaan bawah cekung.

Kloroplas pada umumnya ditemukan pada sel mesofil, jaringan yang terdapat pada interior daun. Sel mesofil biasanya memiliki sekitar 30 sampai 40 kloroplas. Kloroplas memiliki membran rangkap yaitu membran luar dan membran dalam. Antara membran luar dan membran dalam dipisahkan oleh ruang antar membran. Membran dalam tidak membentuk krista seperti pada mitokondria, namun berhubungan atau bersambungan dengan kompleks membran di bagian dalamnya. Disela-sela komplek membran berisi matrik yang disebut stroma. Suatu sistem rumit yang terdiri dari kantong-kantong bermembran yang saling terhubung disebut tilakoid yang memisahkan stroma dari kompartemen lain yang disebut membran tilakoid. Di beberapa tempat, kantong-kantong tilakoid bertumpuk membentuk grana (tunggal disebut granum) (Campbell et al., 2008).

 

Gambar 1. Struktur Kloroplas (Campbell et al., 2008)

PERHATIAN VIDEO STRUKTUR KLOROPLAS BERIKUT:

 

Komponen utama dari kloroplas

Membran Luar  

Membran luar kloroplas tumbuhan tinggi dipisahkan dari membran dalam oleh ruang antar membran yang tebalnya 10 nm. Membran inti permeabel terhadap senyawa-senyawa dengan berat molekul rendah seperti nukleotida, fosfat inorganik, derivat yang mengandung fosfat, asam karboksilat, dan sukrosa. Jadi ruang antar membran dapat dengan bebas menggunakan segala macam molekul nutrien dari sitosol. Dilihat dari permeabilitasnya, fungsi membran luar kloroplas dan mitokondria mempunyai persamaan.

Membran Dalam

Membran dalam kloroplas merupakan barier/penghalang antara sitosol dan stroma kloroplas. Membran dalam permeabel terhadap sukrosa, sorbitol, dan bermacam-macam anion misalnya di dan trikarboksilat, fosfat, persenyawaan-persenyawaan seperti nukleotida dan gula fosfat. Meskipun membran dalam impermeabel terhadap sejumlah persenyawaan, namun membran dalam permeabel terhadap CO2 dan asam monokarboksilat tertentu seperti asam asetat, asam gliserat, dan asam glikolat, serta kurang permeabel terhadap asam amino. Seperti membran dalam mitokondria, membran dalam kloroplas berisi karier khusus untuk mentranspor agen metabolic penting dalam fotosintesis seperti fosfat, fosfogliserat, dehidroksoaseton fosfat, dikarboksilat dan ATP.

Stroma

Cairan yang berada dalam membran membran ganda disebut stroma. Komponen internal serta beberapa zat terlarut tersebar ke stroma. Stroma kaya protein, dan mengandung beberapa enzim yang diperlukan untuk proses penting seluler. DNA kloroplas juga hadir dalam stroma bersama dengan ribosom dan molekul lain yang diperlukan untuk sintesis protein. Pati disintesis melalui fotosintesis disimpan dalam stroma dalam bentuk butiran.

Tilakoid

Selain dua membran yang membentuk membran, kloroplas mengandung sistem membran internal yang ketiga yang disebut membran tilakoid. Tilakoid internal, membran-terikat kompartemen yang dibentuk oleh membran tilakoid tersebut. Bagian internal tilakoid disebut lumen tilakoid, dan berisi plastocyanin dan molekul lain yang diperlukan untuk pengangkutan elektron.

Grana

Beberapa tilakoid tersebut diatur dalam bentuk cakram yang ditumpuk antara yang satu dengan yang lain. Tumpukan ini disebut grana, dan terhubung satu sama lain melalui tilakoid intergrana atau tilakoid stroma.

 

  1. Fungsi Kloroplas

Fungsi kloroplas adalah tempat berlangsungnya proses fotosintesis, yang terdiri dari satu set reaksi yang memanfaatkan energi matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia. Selain itu komponen kloroplas berpartisipasi dalam beberapa fungsi regulasi sel serta dalam fotorespirasi. Pada dasarnya fotosintesis seperti juga reaksi pada mitokondria merupakan pembentukan ATP dan melibatkan transport hidrogen dan elektron dalam senyawa-senyawa seperti NADH dan sitokrom. Perbedaannya adalah bahwa fotosintesis menggunakan cahaya sebagai sumber energi dan bukan substrat kimia, fotosintesis menggunakan CO2 dan air, menghasilkan oksigen dan karbohidrat (Karp, 2010). Reaksi fotosintesis dirangkum sebagai berikut:

6CO2     +   12H2O   +   energy cahaya –> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

 

fungsi kloroplas

Gambar 2. Reaksi terang dan siklus Cakvin yang terjadi pada kloroplas (Buzzle.com)

 

Peran kloroplas dalam fotosintesis digambarkan di bawah ini, diikuti dengan deskripsi peran berbagai komponen kloroplas (Karp, 2010):

  • Membran dari kloroplas merupakan membran semi-permeabel yang mengatur keluar masuknya molekul dari kloroplas. Membran luar dan membran dalam memiliki spesialisasi protein antarmembran untuk pengangkutan molekul besar masuk dan keluar dari kloroplas. Selain itu, mereka adalah situs untuk sintesis molekul lipid tertentu juga pigmen karotenoid seperti yang diperlukan untuk pemanenan cahaya.
  • Kegiatan reaksi bergantung cahaya fotosintesis terjadi di grana dan fotosistem. Di sinilah pigmen fotosintetik seperti klorofil a, klorofil b, karotenoid menyerap energi cahaya, yang kemudian digunakan untuk memecah molekul air, dan pada akhirnya menimbulkan ATP, NADPH2 dan oksigen.
  • Stroma kloroplas merupakan tempat untuk reaksi fotosintesis gelap. Enzim-enzim di stroma memanfaatkan karbon dioksida dari atmosfer, serta ATP dan molekul NADPH2 dilepaskan dari grana, untuk mensintesis molekul gula dan pati. Proses ini juga dikenal sebagai fiksasi karbon dioksida, dan terjadi melalui serangkaian reaksi kolektif disebut siklus Calvin.
  • Bagian dari reaksi yang terjadi dalam proses fotorespirasi (fiksasi oksigen tergantung cahaya) terjadi pada stroma dari kloroplas. Reaksi lainnya berlangsung di mitokondria dan peroksisom. Fotorespirasi memainkan peran protektif selama kekeringan dan paparan radiasi yang tinggi.

 

  1. Proses Fotosintesis

Reaksi transfer elektron fotosintetik/ reaksi terang. Energi diterima dari energi cahaya yang berupa elektron dalam pigmen organic yaitu klorofil yang memungkinkan elektron bergerak sepanjang rantai transpor elektron di membran tilakoid. Klorofil mendapatkan elektron dari air (H2O), memproduksi O2. Selama proses transport elektron ion H+ dipompa keluar membran tilakoid sehingga terjadi perbedaan gradient proton yang mengarah ke sintesis ATP di stroma. Tahap terakhir dari rangkaian rekasi ini adalah elektron berenergi tinggi yang dapat mengubah NADP+ menjadi NADPH (Stephen R. Bolsover, Jeremy S. Hyams, Elizabeth A. Shephard, Hugh A. White, 2004).

Reaksi fiksasi karbon/ reaksi gelap. ATP dan NADPH yang dihasilkan dari reaksi terang bertindak sebagai sumber energi yang digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat. Reaksi ini terjadi di dalam stroma kloroplas dan berlanjut ke sitosol. Gambar skematis terjadinya dua reaksi utama fotosintesis pada Gambar 3.

Gambar 3. Skema reaksi utama fotosintesis (Bray, Johnson, Raff, & Walter, 2009)

PERHATIAN VIDEO FOTOSINTESIS BERIKUT:

 

Secara terperinci reaksi fotosintesia terdiri dua fase:

  1. Reaksi terang = reaksi fotokimia = reaksi cahaya = reaksi Hill = fotolisis air.

Pada tahap pertama ini terjadi proses penangkapan energi surya atau proses-proses yang bergantung pada keberadaan cahaya. Proses ini biasa dinamakan reaksi terang. Reaksi-reaksi cahaya berlangsung pada bagian grana kloroplas. Sebagian energi matahari yang diserap akan diubah menjadi energi kimia, yaitu berupa zat kimia berenergi tinggi. Selanjutnya, zat itu akan digunakan untuk proses penyusunan zat gula. Sebagian energi matahari juga digunakan untuk fotolisis air (H2O) sehingga dihasilkan ion hidrogen (H+) dan O2. Ion hidrogen tersebut akan digabungkan dengan CO2 membentuk zat gula (CH2O)n. Sedangkan O2 -nya akan dikeluarkan.

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 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. Fotosintesis akan menghasilkan lebih banyak energi pada gelombang cahaya dengan panjang tertentu. Hal ini karena panjang gelombang yang pendek menyimpan lebih banyak energi. Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul klorofil untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi. 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 (Bray et al., 2009).

 

Gambar 4.  Reaksi Terang dan Reaksi Gelap pada Kloroplas (Bray et al., 2009)

 

PERHATIAN VIDEO REAKSI TERANG BERIKUT:

 

  1. Reaksi gelap = reaksi thermokimia = fiksasi CO2.

Tahap II adalah proses-proses yang tidak bergantung langsung pada keberadaan cahaya. Proses-proses atau reaksi-reaksi pada tahap ini disebut reaksi gelap. Reaksi-reaksi gelap terjadi pada bagian matrik stroma kloroplas. Pada bagian ini, terdapat seluruh perangkat untuk reaksi-reaksi penyusunan zat gula. Reaksi tersebut memanfaatkan zat berenergi tinggi yang dihasilkan pada reaksi terang yaitu ATP dan NADPH. Pada tumbuhan proses biokimia yang terpicu adalah siklus Calvin yang mengikat karbon dioksida untuk membentuk ribulosa (dan kemudian menjadi gula seperti glukosa). Reaksi ini disebut reaksi gelap karena tidak bergantung pada ada tidaknya cahaya sehingga dapat terjadi meskipun dalam keadaan gelap (tanpa cahaya).

Reaksi penyusunan ini tidak lagi bergantung langsung pada keberadaan cahaya, walaupun prosesnya berlangsung bersamaan dengan proses-proses reaksi cahaya. Karena itulah, reaksi-reaksi pada tahap ini disebut reaksi gelap. Reaksi tersebut dapat terjadi karena adanya enzim-enzim fotosintesis. Sesuai dengan nama penemunya yaitu Benson dan Calvin, maka daur reaksi penyusunan zat gula ini disebut daur Benson – Calvin. Hasil awal fotosintesis adalah berupa zat gula sederhana yang disebut glukosa (C6H12O6). Selanjutnya, sebagian akan diubah menjadi amilum (zat tepung / pati) yang ditimbun di daun, atau organ-organ penimbunan yang lain (Bianchi & Sheeler, 2009).

PERHATIAN VIDEO REAKSI GELAP (SIKLUS CALVIN) BERIKUT: