FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi

FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

• Fotosintesis terjadi di kloroplas • Daun pada tanaman merupakan tempat utama terjadinya fotosintesis Leaf cross section Vein Mesophyll Stomata CO 2

Light energy ECOSYSTEM Energi mengalir ke dalam suatu ekosistem sebagai cahaya matahari dan meninggalkannya dalam bentuk panas CO 2 + H 2 O Photosynthesis in chloroplasts Organic + O 2 molecules Cellular respiration in mitochondria ATP powers most cellular work Heat energy

Fotosintesis • Proses dimana organisme yang memiliki kloroplas mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimia • Melibatkan 2 lintasan metabolik • Reaksi terang: mengubah energi matahari menjadi energi seluler • Siklus Calvin: reduksi CO 2 menjadi CH 2 O

Light Chloroplast NADP +P Ru. BP 3 -PGA Calvin cycle Light reactions Ele s n ro ct G 3 P Cellular respiration Cellulosse Starch Other organic compounds

Persamaan Fotosintesis • Fotosintesis 6 CO 2 +6 H 20 + light C 6 H 1206 + 6 O 2

Pada fotosintesis Reduksi CO 2 menjadi karbohidrat melalui oksidasi carrier energi (ATP, NADPH) Reaksi terang memberi energi pada carrier Reaksi gelap (siklus Calvin) menghasilkan PGAL (phosphoglyceraldehyde) Fotosintesis terdiri dari dua proses yaitu -Reaksi terang -Siklus Calvin

Struktur kloroplas Mesophyll • Tilakoid adalah sistem membran dalam kloroplas (tempat terjadinya reaksi terang). Memisahkan kloroplas menjadi ruang tilakoid dan stroma • Grana kumpulan tilakoid dalam kloroplas • Stroma: daerah cair antara tilakoid dan membran dalam tempat terjadi siklus Calvin Chloroplast 5 µm Outer membrane Thylakoid Stroma Granum Intermembrane space Thylakoid space Inner membrane 1 µm

cahaya • Energi elektromagnetik bergerak dalam bentuk gelombang • Terdapat hubungan yang berbalik antara panjang gelombang dengan energi • Panjang gelombang tinggi maka energi rendah

Spektrum tampak -termasuk warna-warna cahaya yang dapat kita lihat -termasuk panjang gelombang yang menjalankan fotosintesis

Pigmen -Substansi yang menyerap cahaya tampak -Menyerap kebanyakan panjang gelombang tetapi paling sedikit menyerap panjang gelombang hijau Pigmen Klorofil a Klorofil b Karotenoid Karotene Xantofil

• Spektrum aksi pigmen Rate of photosynthesis (measured by O 2 release) – Efektivitas relatif panjang gelombang yang berbeda dalam menjalankan fotosintesis Action spectrum. Plot antara kecepatan fotosintesis vs panjang gelombang. Sepktrum aksi mewakili spektrum absorpsi klorofil a tetapi tidak benar-benar tepat. Hal ini karena penyerapan cahaya oleh pigmen aksesoris seperti klorofil b dan karotenoid.

• Spektrum aksi fotosintesis – Ditunjukkan oleh Theodor W. Engelmann Aerobic bacteria Filament of alga 400 500 600 700 Engelmann‘s experiment. Tahun 1883, Theodor W. Engelmann menyinari alga filamen dengan cahaya yang telah dilewatkan ke prisma, sehingga segmen yang berbeda dari alga mendapat panjang gelombang yang berbeda. Digunakan bakteri aerob yang terkonsentrasi dekan sumber oksigen untuk menentukan segmen alga yang paling banyak mengeluarkan O 2. Bakteri berkumpul dalam jumlah besar disekitar alga yang mendapat cahaya biru-violet dan merah paling efektif dalam fotosintesis

Klorofil a • Klorofil a adalah pigmen yang secara langsung berpartisipasi dalam reaksi terang • Pigmen lain menambahkan energi ke klorofil a • Penyerapan cahaya meningkatkan elektron ke orbital energi yang lebih tinggi

• Klorofil tereksitasi oleh cahaya • Saat pigmen menyerap cahaya – Klorofil tereksitasi dan menjadi tidak stabil Energy of election e– Excited state Heat Photon (fluorescence) Photon Chlorophyll molecule Ground state

Fotosistem • Kumpulan pigmen dan protein yang berasosiasi dengan membran tilakoid yang memanen energi dari elektron yang tereksitasi • Energi yang ditangkap ditransfer antara molekul fotosistem sampai mencapai molekul klorofil pada pusat reaksi

• Pada pusat reaksi terdapat 2 molekul – Klorofil a – Akseptor elektron primer • Pusat reaksi klorofil dioksidasi dengan hilangnya elektron melalui reduksi akseptor elektron primer • Terdapat fotosistem I dan II • Membran tilakoid – Terdapat 2 tipe fotosistem yaitu fotosistem I dan II

Aliran elektron • Terdapat dua rute jalur elektron yang tersimpan pada akseptor elektron primer • Kedua jalur – Dimulai dengan penangkapan energi foton – Menggunakan rantai transport elektron dengan sitokrom untuk kemiosmosis • Aliran elektron nonsiklik – Menggunakan fotosistem II dan I – Elektron dari fotosistem II dihilangkan diganti oleh elektron yang didonasikan oleh air – Mensintesis ATP dan NADPH – Donasi elektron mengkonversi air O 2 dan 2 H+ • Aliran elektron siklik – Hanya menggunakan fotosistem I – Elektron dari fotosistem I di-recycle – Mensintesis ATP

Nonsiklik Menghasilkan NADPH, ATP, dan oksigen

Aliran siklik – Hanya fotosistem I yang digunakan – Hanya ATP yang dihasilkan

Reaksi terang dan kemiosmosis: Organisasi membran tilakoid H 2 O CO 2 LIGHT NADP+ ADP LIGHT REACTOR CALVIN CYCLE ATP NADPH STROMA (Low H+ concentration) O 2 [CH 2 O] (sugar) Cytochrome complex Photosystem II Photosystem I NADP+ reductase Light 2 H+ Fd 3 NADPH Pq + H+ Pc 2 H 2 O THYLAKOID SPACE (High H+ concentration) NADP+ + 2 H+ 1 1⁄ 2 O 2 +2 H+ To Calvin cycle STROMA (Low H+ concentration) Thylakoid membrane ATP synthase ADP P ATP H+

Siklus Calvin menggunakan ATP dan NADPH untuk mengkonversi CO 2 menjadi gula • Siklus calvin – Terjadi di stroma • Siklus Calvin memiliki 3 tahap – Fiksasi karbon – Reduksi – Regenerasi akseptor CO 2

Siklus Calvin Light H 2 O Input 3 (Entering one CO 2 at a time) CO 2 NADP+ ADP LIGHT REACTION CALVIN CYCLE ATP Phase 1: Carbon fixation NADPH O 2 Rubisco [CH 2 O] (sugar) 3 P Ribulose bisphosphate (Ru. BP) P Short-lived intermediate P P 6 3 -Phosphoglycerate 6 ATP 6 ADP CALVIN CYCLE 3 ADP 3 ATP Phase 3: Regeneration of the CO 2 acceptor (Ru. BP) 6 P P 1, 3 -Bisphoglycerate 6 NADPH+ 6 P 5 P (G 3 P) 6 P Glyceraldehyde-3 -phosphate (G 3 P) 1 G 3 P (a sugar) Output P Glucose and other organic compounds Phase 2: Reduction

Siklus Calvin • Dimulai dari CO 2 dan menghasilkan Glyceraldehyde 3 phosphate • Tiga bagian siklus Calvin menghasilkan 1 produk molekul • Tiga tahap – Fiksasi karbon – Reduksi CO 2 – Regenerasi Ru. BP

1 Sebuah molekul CO 2 dikonversi dari bentuk inorganiknya menjadi molekul organik (fixation) melalui pengikatan ke gula 5 C (ribulose bisphosphate atau Ru. BP). – Dikatalisasi oleh enzim Ru. BP carboxylase (Rubisco). • Bentuk gula 6 C pecah menjadi 3 phosphoglycerate

2 Tiap molekul 3 phosphoglycerate menerima tambahan grup fosfat membentuk 1, 3 Bisphoglycerate (fosforilasi ATP) • NADPH dioksidasi dan elektron yang ditransfer ke 1, 3 Bisphoglycerate memecah molekul dengan tereduksi menjadi Glyceraldehyde 3 phosphate

3 Tahap terakhir dari siklus ini adalah regenerasi Ru. BP • Glyceraldehyde 3 phosphate dikonversi menjadi Ru. BP melalui sebuah seri reaksi yang melibatkan fosforilasi molekul oleh ATP

Tanaman C 4 • Tanaman C 4 meminimalkan keperluan fotorespirasi – dengan cara menggabungkan CO 2 ke dalam senyawa empat karbon di sel mesofil • Senyawa empat karbon tersebut – Dieksport ke sel berkas pembuluh, dimana CO 2 dilepaskan yang digunakan dalam siklus Calvin

• Anatomi daun C 4 dan jalur C 4 Photosynthetic cells of C 4 plant leaf Mesophyll cell Bundlesheath cell COCO 2 2 PEP carboxylase PEP (3 C) Oxaloacetate (4 C) ADP Vein (vascular tissue) Malate (4 C) ATP C 4 leaf anatomy Bundle. Sheath cell Pyruate (3 C) CO 2 Stoma CALVIN CYCLE Sugar Vascular tissue

• Tanaman CAM – Membuka stomatanya pada malam hari, menggabungkan CO 2 ke dalam asam organik • Selama siang hari, stomata tertutup – CO 2 dilepaskan dari asam organik untuk digunakan dalam siklus Calvin

• Jalur CAM mirip dengan jalur C 4 Pineapple Sugarcane C 4 Mesophyll Cell Organic acid Bundlesheath cell (a) Spatial separation of steps. In C 4 plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in different types of cells. CALVIN CYCLE Sugar CAM CO 2 1 CO 2 incorporated into four-carbon organic acids (carbon fixation) 2 Organic acids release CO 2 to Calvin cycle CO 2 Organic acid Night Day CALVIN CYCLE Sugar (b) Temporal separation of steps. In CAM plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in the same cells at different times.