Anabolisme merupakan reaksi proses penyusunan (sintesis) senyawa kompleks dari senyawa sederhana yang berlangsung di dalam sel. Dalam proses penyusunan senyawa kimia tersebut diperlukan energi. Jika energi berasal dari sinar matahari akan digunakan untuk proses fotosintesis adapun jika energi berasal dari energi kimia digunakan untuk proses kemosintesis. Berdasarkan sumber energinya, organisme dapat memperoleh energi dari cahaya atau sinar matahari maupun dari bahan-bahan kimia di sekitar lingkungan hidupnya.
Fotosintesis merupakan satu-satunya penghasil makanan yang diperlukan bagi seluruh kehidupan organisme, termasuk manusia (heterotrof). Berikut ini persamaan fotosintesis yang menghasilkan produk karbohidrat (dalam hal ini glukosa), berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya: 6CO2 + 12H2O + energi cahaya C6H12O6 + 6O2 + 6H2O atau disederhanakan menjadi 6CO2 + 6H2O + energi cahaya C6H12O6 + 6O2
Pada sel tumbuhan terdapat bagian yang disebut plastida. Plastida dibedakan menjadi plastida berpigmen dan tidak berpigmen. Kloroplas merupakan salah satu plastida yang berpigmen tersebut. Kloroplas terdapat pada bagian dalam daun yang tersusun oleh sel-sel hidup dan dapat melakukan proses-proses fisiologi, disebut mesofil. Di dalam kloroplas terdapat cairan atau fluida kental disebut stroma dan membran-membran halus sebagai tempat klorofil, disebut membran tilakoid. Di dalam membran tersebut terdapat ruangan yang disebut ruang tilakoid (lumen).
Tumpukan dari beberapa membran tilakoid membentuk struktur yang disebut grana (tunggal = granum). Kloroplas diselubungi oleh 2 membran, yaitu membran dalam dan membran luar. Pada fotosintesis, masuknya karbondioksida ke daun dan keluarnya oksigen yang dihasilkan, melewati struktur yang disebut stomata (tunggal = stoma, dalam bahasa Yunani berarti mulut).
Rangkaian reaksi kimia pada fotosintesis merupakan reaksi penyederhanaan dari 2 tahapan reaksi dalam fotosintesis. Kedua reaksi tersebut adalah reaksi terang (disebut bagian foto) dan reaksi gelap atau siklus Calvin (disebut bagian sintesis).
Pada reaksi terang, energi yang berasal dari matahari diserap oleh klorofil dan diubah menjadi energi kimia (untuk mensintesis NADPH dan ATP) di dalam kloroplas. Reaksi terang terjadi di dalam grana. Salah satu pigmen yang berperan secara langsung dalam reaksi terang adalah klorofil a. Di dalam membran tilakoid, klorofil bersama-sama dengan protein dan molekul organik berukuran kecil lainnya membentuk susunan yang disebut fotosistem. Beberapa ratus klorofil a, klorofil b, dan karotenoid membentuk suatu kumpulan sebagai “pengumpul cahaya” yang disebut kompleks antena. Sebelum sampai ke pusat reaksi, energi dari partikel-partikel cahaya (foton) akan dipindahkan dari satu molekul pigmen ke molekul pigmen yang lain. Pusat reaksi merupakan molekul klorofil pada fotosistem, yang berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi kimiawi (reaksi cahaya) fotosintesis pertama kalinya.
Di dalam membran tilakoid terdapat 2 macam fotosistem berdasarkan urutan penemuannya, yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Setiap fotosistem tersebut mempunyai klorofil pusat reaksi yang berbeda, tergantung dari kemampuan menyerap panjang gelombang cahaya. Klorofil pusat reaksi pada fotosistem I disebut P700, karena mampu menyerap panjang gelombang cahaya 700 nm (spektrumnya sangat merah), sedangkan pada fotosistem II disebut P680 (spektrum merah).
Aliran elektron pada reaksi terang akan mengikuti suatu rute tertentu. Ada 2 kemungkinan aliran elektron pada reaksi terang yaitu aliran non-siklis dan aliran siklis.
1) Aliran Elektron Non-siklis Langkah awal dari reaksi terang adalah transfer elektron tereksitasi dari klorofil pusat reaksi menuju molekul khusus yang disebut akseptor elektron primer. Air (H2O) diuraikan menjadi 2 ion hidrogen dan 1 atom oksigen kemudian melepaskan O2. Elektron yang berasal dari air (H2O) menggantikan elektron yang hilang pada P680. Elektron pada reaksi terang ini melalui rantai transport elektron menuju fotosistem I (P700). Secara berturut-turut, rantai elektron tersebut yaitu: plastokuinon (Pq), merupakan pembawa elektron; kompleks sitokrom; dan plastosianin (Pc), merupakan protein yang mengan dung tembaga.
Adanya aliran elektron ini akan menghasilkan energi- energi yang kemudian tersimpan sebagai ATP. Pembentukan ATP yang menggunakan energi cahaya melalui aliran elektron non siklis pada reaksi terang ini disebut fotofosforilasi non siklis.
Setelah elektron mencapai fotosistem I (P700), elektron ditangkap oleh akseptor primer fotosistem I. Elektron melalui rantai transport elektron ke-dua, yaitu melalui protein yang mengandung besi atau feredoksin (Fd). Selanjutnya, enzim NADP+ reduktase mentransfer elektron ke NADP+ sehingga membentuk NADPH yang menyimpan elektron berenergi tinggi dan berfungsi dalam sintesis gula dalam siklus berikutnya yaitu siklus Calvin. Reaksi terang menghasilkan ATP dan NADPH.
2) Aliran elektron siklis
Pada aliran elektron siklis elektron dari akseptor primer fotosistem I dikembalikan ke fotosistem I (P700) melalui feredoksin, kompleks sitokrom, dan plastosianin. Pada aliran siklis ini menyebabkan produksi ATP bertambah tetapi tidak terbentuk NADPH serta tidak terjadi pelepasan molekul O2. Proses pembentukan ATP melalui aliran siklis ini disebut fotofosforilasi siklis.
b. Reaksi Gelap (Siklus Calvin)
Bahan-bahan yang dihasilkan dari reaksi terang akan digunakan dalam siklus Calvin. ATP digunakan sebagai sumber energi dan NADPH sebagai tenaga pereduksi untuk penambahan elektron berenergi tinggi. Siklus Calvin terjadi pada bagian kloroplas yaitu stroma. Pada reaksi gelap ini, bahan untuk fotosintesis (CO2) nantinya akan dibentuk menjadi molekul gula setelah melalui 3 tahapan, antara lain:
Pada tahap ini, gula berkarbon 5 yang disebut ribulosa 1,5 bisfosfat (RuBP) mengikat CO2 membentuk senyawa intermediate yang tidak stabil, sehingga terbentuk 3-fosfogliserat. Pembentukan tersebut dikatalisis oleh enzim RuBP karboksilase atau rubisko. Sebagian besar tumbuhan dapat melakukan fiksasi karbon dan menghasilkan senyawa (produk) pertama berkarbon 3, yaitu 3-fosfogliserat. Tumbuhan yang dapat memfiksasi CO2 ini disebut tumbuhan C3. Contohnya adalah tanaman padi, gandum, dan kedelai. Pada beberapa tumbuhan, fiksasi karbon mendahului siklus Calvin dengan cara membentuk senyawa berkarbon 4 sebagai produk pertamanya. Tumbuhan seperti ini disebut tumbuhan C4. Contohnya adalah tebu, jagung, dan anggota rumput-rumputan.
Tidak seperti pada tumbuhan C3 dan C4, tumbuhan kaktus dan nanas membuka stomatanya pada malam hari dan menutupnya pada siang hari. Pada saat stomata terbuka, tumbuhan mengikatkan CO2 pada berbagai asam organik. Cara fiksasi karbon ini pertama kali dtiemukan pada tumbuhan famili Crassulaceae (tumbuhan penyimpan air) dan disebut metabolisme asam krasulase (Crassulacean Acid Metabolism) sehingga tumbuh annya disebut tumbuhan CAM. Asam organik (senyawa intermediate) yang dibuat pada malam hari disimpan dalam vakuola sel mesofil sampai pagi hari. Pada siang hari (stomata tertutup), reaksi terang dapat memasok ATP dan NADPH untuk siklus Calvin. Pada saat itu, asam organik melepaskan CO2 dan memasuki molekul gula (RuBP) dalam kloroplas. Baik tumbuhan C3, C4, maupun CAM akan menggunakan siklus Calvin setelah fiksasi CO2, untuk membentuk molekul gula dari karbondioksida.
Setiap molekul 3-PGA menerima gugus fosfat dari ATP sehingga terbentuk 1,3 bisfosfogliserat. Elektron dari NADPH mereduksi 1,3 bisfosfogliserat dan terbentuk 6 molekul gliseraldehid 3-fosfat (G3P), yang dikatalisis oleh G3P dehidrogenase. Satu molekul G3P akan keluar sebagai molekul gula atau glukosa dan senyawa organik lain yang diperlukan tumbuhan, sedangkan 5 molekul G3P yang lain akan masuk ke tahapan regenerasi.
3) Pembentukan kembali (regenerasi) RuBP
Pada tahapan terakhir siklus Calvin ini, RuBP sebagai pengikat CO2 dibentuk kembali oleh 5 molekul G3P. RuBP siap untuk mengikat CO2 kembali dan siklus Calvin dapat berlanjut kembali. Molekul gula tidak akan terbentuk hanya dengan reaksi terang atau siklus Calvin saja. Oleh karena itu, kedua proses tersebut merupakan gabungan proses untuk terjadinya fotosintesis. Gula yang dibuat dalam kloroplas tersebut akan digunakan untuk proses respirasi tumbuhan atau menyusun senyawa organik lainnya dalam sel tumbuhan. Gula tersebut akan diedarkan ke seluruh bagian tumbuhan, dalam bentuk gula sederhana seperti glukosa. Molekul-molekul gula berlebih yang terbentuk selama fotosintesis dan tidak diedarkan, akan menumpuk atau disimpan di dalam plastida sebagai sumber cadangan energi dalam bentuk amilum atau pati (polisakarida).
2. Kemosintesis
Bakteri sufur menggunakan energi dari senyawa kimia yaitu hidrogen sulfida (H2S) dan juga CO2 untuk membentuk karbohidrat. Proses pembentukan bahan makanan dengan menggunakan energi dari bahan-bahan kimia disebut kemosintesis. Bakteri tersebut menguraikan H2S menjadi atom hidrogen dan sulfur. Kemudian pada reaksi gelap, atomatom hidrogen digunakan untuk mereduksi CO2 dalam membentuk gula atau karbohidrat. Proses tersebut tidak melepaskan oksigen, tetapi menghasilkan sulfur. Persamaan reaksinya sebagai berikut: CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S
2. Kemosintesis
Bakteri sufur menggunakan energi dari senyawa kimia yaitu hidrogen sulfida (H2S) dan juga CO2 untuk membentuk karbohidrat. Proses pembentukan bahan makanan dengan menggunakan energi dari bahan-bahan kimia disebut kemosintesis. Bakteri tersebut menguraikan H2S menjadi atom hidrogen dan sulfur. Kemudian pada reaksi gelap, atomatom hidrogen digunakan untuk mereduksi CO2 dalam membentuk gula atau karbohidrat. Proses tersebut tidak melepaskan oksigen, tetapi menghasilkan sulfur. Persamaan reaksinya sebagai berikut: CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S
