Kloroplas atau Chloroplast adalah organel plastida yang mengandung klorofil atau pigmen hijau daun. Kloroplas merupakan organel dimana terjadi proses fotosintesis tumbuhan dengan fase terang dan fase gelapnya. Hampir semua tumbuhan mempunyai kloroplas. Akan tetapi tidak semua sel mengandung kloroplas.

Apabila sebuah sel mengandung kloroplas, maka tentu dalam tiap sel akan memiliki satu sampai banyak plastida. Plastida yang terdapat pada tumbuhan tingkat tinggi, secara umum berbentuk cakram. Ukurannya sekitar 2 x 5 mm. Namun tidak jarang ukurannya jauh lebih besar dari itu.

Kloroplas mempunyai membran dan berada di dalam sitoplasma, hanya saja bentuk dan posisinya berubah-ubah. Perubahan ini tergantung dari banyak atau tidaknya intensitas cahaya. Plastida yang sedikit berbeda terdapat pada ganggang. Pada organisme ini, bentuk kloroplas bisa berwujud seperti mangkuk, spiral, bintang serta jaring.

Kloroplas yang sudah matang bisa memperbanyak diri. Proses regenerasi kloroplas yang terus menerus ini terjadi melalui pertumbuhan dan pembelahan proplastid, khususnya di daerah meristem. Kloroplas juga mengandung DNA sirkular dan bagian struktur yang mampu mensistesis protein, ini termasuk keberadaan organel ribosom dari tipe sel prokariotik.

Reaksi gelap pada kloroplas terdapat di stroma yang terdapat di sekitar membran kloroplas. Stroma mengandung sejumlah grana yang tersusun atas tumpukan tilakoid. Struktur tilakoid mirip dengan gelembung bermembran, dengan bentuk yang pipih dan mirip seperti cakram. Membran tilakoid memiliki pigmen-pigmen fotosintesis dan juga tempat terjadinya transpor elektron yang terlibat dalam fase fotosintesis. Di sinilah terjadi reaksi terang fotosintesis yang bergantung pada cahaya.

Sedangkan grana secara umum terkait dengan lamela intergrana yang bebas pigmen. Ketiadaan pigmen menjadikan grana tidak tergantung pada cahaya untuk menjalankan aktivitas metabolisme. Sebagai contoh, sel prokariota yang berfotosintesis dan tidak mempunyai kloroplas, maka mempunyai tilakoid bebas dalam sitoplasma. Tidak ada susunan yang seragam dari tiap-tiap sel prokariotik.

Struktur Kloroplas

Kloroplas merupakan plastida yang dengan pigmen berwarna hijau. Secara umum, kloroplas mamiliki struktur seperti lensa. Sejumlah sel tumbuhan yang memiliki kloroplas adalah sel tumbuhan lumut atau bernama latin Bryophyta, sel tumbuhan paku-pakuan atau Pterydophyta serta sel tumbuhan berbiji atau disebut juga Spermatophyta. Struktur lensa kloroplas memiliki diameter 2 hingga 6 milimikron. Tebal dari lensatersebut adalah 0,5 sampai 1,0 milimikron. Plastida termasuk kloroplas merupakan organel bermembran rangkap dengan bermacam bentuk dan fungsi.

Jika diamati dengan pembesaran paling kuat dari mikroskop cahaya, kloroplas hanya terlihat terlihat seperti butiran-butiran. Namun sebenarnya pada tumbuhan tingkat tinggi, plastida berbentuk cakram. Ukuran masing-masing cakram adalah 2 x 5 mm, akan tetapi nilai ini relatif. Kloroplas  tersusun dalam lapisan tunggal dan berdomisili di dalam sitoplasma. Akan tetapi bentuk dan posisinya terus saja berubah-ubah sesuai dengan gelapterangnya cahaya. Bentuk kloroplas beraneka ragam. Yang paling jelas, bisa diamati pada tumbuhan alga. Kloroplas pada alga dan berbentuk pita spiral bisa dijumpai dalam sel Spirogyra. Untuk kloroplas berbentuk jala, ditemukan pada Cladophora. Sedangkan kloroplas berbentuk pita dapat dijumpai pada Zygnema.

Mesofil atau daging daun merupakan tempat yang lazim mengandung kloroplas. Selain mesofil, kloroplas juga bisa dijumpai di bagian-bagian daun yang lain. Kloroplas juga terdapat di bahkan juga pada batang dan ranting tumbuhan dengan warna hijau. Warna hijau yang tampak disebabkan karena pigmen daun yang bernama klorofil dan berada di dalam kloroplas. Klorofil mampu menyerap energi cahaya.

Sebagian besar zat hijau daun atau klorofil, terdapat pada membran tilakoid. Sehingga proses fotosintesis atau perubahan energi cahaya menjadi energi kimia terjadi di dalam tilakoid. Selain itu, dalam proses fotosintesis juga terjadi metabolisme pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintesis. Peristiwa ini berlangsung di stroma. Klorofil yang berwarna hijau dikenal dengan sebutan klorofil a. Adapula klorofil b yang mempunyai struktur dan fungsi yang mirip dengan klorofil a. Hanya saja klorofil b merupakan pigmen yang berwarna kuning sampai jingga dan memiliki nama lain karoten.

Kloroplas dikelilingi oleh dua lapis membrane, yaitu membran luar dan membran dalam. Identik dengan membrane di mitokondria. Membran luar kloroplas mengandung porin. Akibatnya, membrane luar kloroplas sangat permeabel terhadap molekul maupun zat yang memiliki ukuran hingga 10.000 dalton. Sebaliknya, membran di bagian dalam kloroplas relatif impermeabel. Membran ini lebih kokoh dan rapat. Membran dalam mempunyai fungsi menutupi daerah dengan limpahan cairan yang disebut stroma. Daerah ini mengandung enzim untuk reaksi terang yang digunakan saat proses fotosintesis. Sama dengan mitokindria, stroma mengandung DNA serta ribosom di dalam selnya.

Membran dalam kloroplas memiliki bentuk yang cenderung melipat-lipat. Struktur lipatan ini mirip dengan tumpukan piringan yang saling berkaitan. Inilah yang disebut dengan tilakoid. Gabungan beberapa tilakoid disebut juga dengan Grana. Tilakoid juga memiliki membran yang melindungi interior tilakoid. Ruangan tersebut berisi cairan dengan kandungan klorofil dan pigmen fotosintesis lain. Adapula rantai transpor elektron di dalamnya. Disinilah terjadinya reaksi terang dari fotosintesis.

Sedangkan membran luar kloroplas melindungi ruang intermembran, yang memisahkan membran dalam dan membran luar kloroplas. Seperti halnya matriks mitokondria, stroma kloroplas mengandung memiliki molekul DNA sirkuler dan juga sejumlah ribosom. Sesuai dengan fungsinya, para peneliti menduga bahwa ada sekitar 60 macam polipeptida pada membran tilakoid. Sebagian polipeptida tersebut dikode oleh DNA kloroplas. Sebagian yang lain dikode oleh gen dalam inti sel, yang selanjutnya dikirim ke kloroplas.

Jalur Fotosintesis

Ada dua tahapan reaksi dalam fotosintesis, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Berikut penjelasannya:

Reaksi Terang

Reaksi ini melibatkan klorofil dan sinar matahari. Energi matahari yang diserap oleh pigmen daun diubah menjadi bentuk energi kimia berupa ATP (adenosine tri phosphate). Proses perubahan ini juga menghasilkan senyawa pereduksi yaitu NADPH. Peristiwa reaksi terang yang termasuk dalam rangkaian fotosintesis ini menggunakan dua fotosistem yang berfungsi sebagai akseptor proton. Keduanya adalah Fotosistem I dan Fotosistem II.

Bagaimana proses reaksi terang terjadi? Penyerapan cahaya matahari akan memicu proses eksitasi elektron. Sinar cahaya matahari yang diterima adalah cahaya tampak berupa radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang di antara 400 hingga 700 nanometer. Keberadaan proses penyerapan dan kemampuan senyawa kimia menyerap cahaya, semuanya tergantung dengan susunan elektron di sekeliling inti atom.

Jika foton diserap oleh suatu molekul, maka elektron akan dinaikkan ke tingkat energi dengan jumlah yang lebih tinggi. Elektron akan melompat menuju molekul pembawa elektron yang pertama. Bila molekul klorofil yang terdapat dalam membran tilakoid mengalami eksitasi oleh cahaya, maka tingkat energi elektron yang berada di dalam struktur atom akan ditingkatkan dengan jumlah energi yang sama dengan energi cahaya yang diserap. Proses eksitasi ini akan berlangsung dengan cepat melalui sejumlah molekul pigmen yang telah menangkap cahaya menuju ke pusat reaksi dari fotosistem.

Berlangsungnya eksitasi terus menerus akan membuat elektron memperoleh energi dalam jumlah yang sangat besar. Elektron akan memanas dan kemudian dikeluarkan dari pusat reaksi. Panas ini kemudian diterima oleh molekul pembawa elektron pertama. Molekul ini mengalami surplus electron sedangkan pusat reaksinya kehilangan elektron. Pusat reaksi akan menyisakan lubang elektron.

Elektron yang kaya energi tersebut akan terus melaju dengan dibawa molekul pembawa elektron, menuju NADP+ yang kemudian mengalami reduksi menjadi NADPH. Lubang electron yang ada di pusat reaksi akan diisi kembali oleh elektron dari fotosistem II.

Fotosistem II pun juga akan meninggalkan lubang elektron, yang menjadikan lubang ini diisi oleh elektron yang berasal dari proses fotolisis air. Apa fotosistem 1 itu sendiri? Fotosistem I adalah satu partikel yang mempunyai susunan kurang lebih 200 molekul klorofil-a, 50 klorofil-b, 50 hingga 200 pigmen karoteroid, plus satu molekul penerima cahaya matahari yang disebut juga dengan P700.

Pada fotosistem I terjadi proses penyerapan energi matahari. Energi yang diserap memiliki panjang gelombang kurang lebih 700 nm. Sedangkan pada fotosistem II, penyerapan energi matahari terjadi dengan panjang gelombang di kurang lebih 680 nm. Proses fotosistem II ini menghasilkan pembentukan O2 dan H2O . Berbeda dengan fotosistem I yang menggunakan klorofil a, fotosistem II lebih banyak menggunakan klorofil-b.

Fotosistem I dan II merupakan system yang menyalurkan energi dalam siklus angkut elektron fotoseintesis. Proses ini berlangsung berkesinambungan dari molekul air sebagai donor elektron menuju ke NADP+ sebagai akseptor elektron.
P700 yang melepaskan elektron, menjadikan molekul tersebut kekurangan elektron. Lubang kekurangan electron tersebut kemudian diisi electron dari molekul P680 dalam fosistem II. Aliran ini hanya terjadi setelah terjadinya penyinaran terhadap fotosistem II yang menyebabkan tereksistasinya P680 dengan ditandai oleh lepasnya elektron. Ini mengakibatkan P680 teroksidasi menjadi P680+. Kekurangan elektron pada P680+ kemudian ditutupi oleh reaksi oksidasi sejumlah molekul H2O menjadi  O2.

Energi yang dihasilkan dari proses transpor elektron fotosintetik, yang dialirkan dari H2O menuju ke NADP+ , menghasilkan energi berupa molekul NADPH.  Selain itu, menghasilkan ATP yang diperoleh dari aliran elektron siklik.

Reaksi Gelap

Fotosintesis dengan reaksi gelap terjadi pada tumbuhan C4 dan CAM. Tumbuhan C4 merupakan florayang mampu menambat CO2 pada fase reaksi gelap dan mengubahnya menjadi asam malat dan asam aspartat 4-carbon. Proses ini terjadi setelah fotosintesis  dalam 14C2 terjadi selama 1 detik, 80% 14C yang tertambat dari hasil reaksi tersebut berada dalam kedua asam dan hanya 10 % hasil metabolism yang ada dalam bentuk PGA. Ini membuktikan bahwa 3-PGA bukan produk utama dari proses fotosintesis.

Secara umum, jenis tanaman C4 adalah tumbuhan monokotil, seperti jagung ataupun tebu. Ciri khas dari tumbuhan C4 adalah mampu berfotosintesis jauh lebih cepat dan efektif  pada suhu yang sangat panas dan intensitas cahaya yang tinggi. Tumbuhan C4 juga mampu menghasilkan biomassa lebih cepat disbanding tumbuhan lainnya.

Proses pengubahan CO2 yang sebenarnya merupakan senyawa HCO3-  menjadi asam malat dan asam aspartat 4-carbon diawali adanya kondisi fusi antara senyawa CO2 dengan pospoenolpiruvat(PEP). Proses fusi ini kemudian menghasilkan oksaloasetat dan Pi. Terjadinya penggabungan ini berlangsung di dalam mesofil daun. Enzim yang mengkatalisis proses ini adalah pospoenolpiruvat karboksilase.

Oksaloasetat yang dihasilkan dari sel-sel mesofil daun kemudian direduksi menjadi malat, tentunya  dengan memanfaatkan keberadaan NADPH. Hasil reduksi ini lalu dipindahkan ke dalam sel pengangkut. Proses selanjutnya adalah dekarboksilasi yang menghasilkan piruvat dan CO2 . Hasil pertama, yaitu piruvat adalah hasil katalisa dari enzim piruvat-fosfat kinase. Sedangkan CO2  yang terbentuk diikat oleh ribosadifosfat klarboksilase. Proses pengikatan ini melalui jalur calvin di kloroplas seludang berkas.

Ketika reaksi dekarbosilasi asam C4 berakhir, maka molekul-molekul seperti piruvat dan alanin diangkut kembali ke dalam sel mesofil. Molekul-molekul tersebut diubah menjadi PEP kembali, inilah yang menyebabkan proses penambatan CO2 dapat berlangsung dengan kontinyu.

Pada tumbuhan lain yang mampu hidup di lingkungan dengan panas ekstrim seperti kaktus dan nanas, proses fiksasi  CO2 yang dilakukan berbeda jauh dibandingkan dengan tumbuhan C4. Mengapa? Karena tumbuhan yang hidup di daerah kering hanya menguapkan sedikit uap air melalui stomata. Ketika stomata terbuka maka terjadi dua proses bersamaan yaitu proses pelepasan O2 dan pengikatan CO2.

Sebaliknya di malam hari, suhu udara berubah drastis, menjadi dingin dan berangin. Pada waktu ini, stomata membuka untuk mengangkap CO2 . Karbondioksida yang ditangkap oleh stomata kemudian kemudian diubah menjadi oksaloasetat oleh PEP karboksilase.

Selanjutnya oksaloasetat diubah menjadi malat dan disimpan di dalam rongga vakuola. Hal ini bertujuan untuk melindungi  sitosol serta keberadaan enzim plastid dari pH rendah akibat disosiasi asam malat. Sedangkan pada siang hari, stomata lebih banyak menutup. Tentunya untuk untuk mencegah penguapan yang berlebihan akibat lingkungan udara kering dan suhu yang tinggi.

Karbondioksida bereaksi pada malam hari menjadi malat dengan bantuan enzim malat. CO2 yang bereaksi tersebut berhubungan di dalam siklus calvin dengan bantuan RuBP. Lalu apa itu CAM? CAM  adalah singkatan dari Crassulacean Acid metabolism. Perlu diketahui, nama CAM ada karena metode fiksasi karbondioksida  pertama kali ditemukan pada tumbuhan dengan familia Crassulaceae.