Fotosintesis Bakteri: Peran Donor Elektron

Anatomi Reaksi Fotosintesis

Di sekolah, fotosintesis sering diringkas jadi formula sederhana: cahaya + $CO_2$ = glukosa. Definisi ini bikin kita mengira fotosintesis cuma perkara tanaman "memasak makanan". Namun, kalau kita selami level biokimia, fotosintesis sebenarnya adalah reaksi reduksi-oksidasi (redoks), yaitu pertukaran elektron.

Mengubah molekul gas karbon dioksida ($CO_2$) yang stabil menjadi molekul gula rantai karbon ($[CH_2O]$) membutuhkan energi serta suplai elektron berenergi tinggi untuk merekatkan ikatan kimia baru. Karbon pada $CO_2$ harus direduksi (diberi elektron dan ion $H^+$).

Pertanyaannya: dari mana elektron itu diambil?

Diagram alur reaksi transfer elektron dalam fotosintesis yang menghubungkan donor elektron, cahaya, dan fiksasi karbon dioksida.

Reaksi fotosintesis sejati membutuhkan tiga pilar fundamental:

Sumber Energi: Foton cahaya matahari untuk mengeksitasi elektron.
Sumber Karbon: Gas $CO_2$ sebagai kerangka pembangun karbohidrat.
Donor Elektron ($H_2A$): Molekul yang "dikorbankan" untuk diambil elektron dan protonnya ($H^+$).

Ketika molekul donor menyerahkan elektronnya ke rantai transpor elektron, sisa molekul donor tersebut akan teroksidasi menjadi produk sampingan (senyawa limbah).

Jalur Klasik: Air Sebagai Korban

Jalur fotosintesis yang paling kita kenal adalah jalur yang digunakan oleh tumbuhan darat, alga, dan Cyanobacteria (bakteri hijau-biru). Jalur ini dikenal sebagai fotosintesis oksigenik.

Di jalur ini, molekul yang dikorbankan sebagai donor elektron adalah air ($H_2O$). Molekul air dipecah melalui fotolisis:

Diagram reaksi fotosintesis oksigenik yang memperlihatkan pemecahan air menjadi elektron dan gas oksigen sebagai produk sampingan.

Elektron ($e^-$) dan ion $H^+$ dari air diambil untuk mereduksi $CO_2$ menjadi gula. Sisa atom oksigen yang kehilangan elektronnya tidak dibutuhkan lagi, sehingga saling berikatan membentuk gas oksigen ($O_2$) yang dibuang ke lingkungan.

Ciri khas bakteri fotosintesis oksigenik (seperti Sampel B pada soal):

Molekul Donor Elektron: Menggunakan air ($H_2O$).
Pigmen Utama: Menggunakan pigmen Klorofil a yang menyerap spektrum cahaya merah dan biru, memantulkan warna hijau.
Habitat: Hidup di perairan dangkal yang terpapar cahaya matahari langsung dan kaya oksigen (lingkungan aerobik).

Jalur Alternatif: Fotosintesis Tanpa Oksigen

Sebelum atmosfer bumi dipenuhi oksigen, mikroorganisme purba telah berevolusi menggunakan jalur fotosintesis lain: fotosintesis anoksigenik (tidak menghasilkan gas $O_2$).

Di danau yang dalam atau perairan berlumpur, sinar matahari tampak redup dan kadar gas $O_2$ sangat rendah (lingkungan anaerobik). Di zona ini, gas oksigen justru bisa menjadi racun yang merusak enzim metabolisme bakteri. Sebagai gantinya, bakteri fototrof memanfaatkan senyawa anorganik tereduksi lain yang melimpah di sana, seperti hidrogen sulfida ($H_2S$).

Kolam perairan ekstrem dengan mikroba berpigmen fotosintetik khusus — NASA & Terry J. McGenity dkk., CC BY-SA 4.0 — Wikimedia Commons

Ketika bakteri mengambil elektron dan proton dari senyawa $H_2S$, atom sulfur ($S$) tersisa dan terakumulasi:

Diagram biokimia fotosintesis anoksigenik yang memperlihatkan H2S sebagai donor elektron dan belerang sebagai produk sampingan.

Ciri khas bakteri fotosintesis anoksigenik (seperti Sampel A pada soal):

Molekul Donor Elektron: Menggunakan senyawa anorganik selain air, terutama hidrogen sulfida ($H_2S$).
Produk Sampingan: Menghasilkan butiran belerang elemental ($S^0$), bukan gas oksigen. Butiran belerang ini sering disimpan di dalam sel (seperti pada Allochromatium atau Thiospirillum) atau disekresikan ke luar sel.
Pigmen Utama: Menggunakan Bakterioklorofil dan karotenoid khusus yang memberi warna merah hingga ungu kemerahan. Pigmen ini mampu menyerap spektrum cahaya merah jauh (near-infrared) yang sanggup menembus kolom air dalam.
Sifat Lingkungan: Bersifat anaerob obligat atau anaerob fakultatif (berkembang subur di zona minim oksigen).

Mengapa fotosintesis pada tumbuhan hijau menghasilkan gas oksigen (O2), sementara fotosintesis pada bakteri belerang ungu menghasilkan butiran belerang (S)?

Fotosintesis tanaman menghasilkan oksigen karena menyerap CO2 lebih banyak daripada bakteri anoksigenik.
Bakteri anoksigenik tidak memecah donor elektron sama sekali, melainkan langsung menyerap gula dari lingkungan.
Tanaman memecah molekul air (H2O) sebagai sumber elektron, sedangkan bakteri sulfur memecah hidrogen sulfida (H2S).
Bakteri anoksigenik menggunakan pigmen yang sama dengan tanaman hijau namun menyerap panjang gelombang yang berbeda.

Jawaban: Tanaman memecah molekul air (H2O) sebagai sumber elektron, sedangkan bakteri sulfur memecah hidrogen sulfida (H2S).

Produk sampingan fotosintesis ditentukan oleh donor elektron yang dipecah. Tumbuhan dan Cyanobacteria memecah air (H2O) sehingga menyisakan gas O2, sedangkan bakteri belerang ungu memecah H2S sebagai donor elektron sehingga menyisakan belerang elemental (S).

Fotosintesis anoksigenik memakai donor elektron selain air (seperti H2S) sehingga tidak menghasilkan gas oksigen.