FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi

FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

Tempat fotosintesis berlangsung ? • Di bagian daun (tulang Daun) terdapat bagian yang disebut mesofil. • Dalam mesofil terdapat jaringan palisade yang kaya akan kloroplas. • Dalam kloroplas terdapat pigmen hijau daun yang disebut klorofil. • Dalam kloroplas terdapat bagian-bagian yang disebut granum, stroma (fluida kental), tilakoid, membran dalam, membran luar.

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

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

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 Catt: • Klorofil a = Berwarna hijau tua ( C 55 H 72 O 5 N 4 Mg ) • Klorofil b = Berwarna hijau muda ( C 55 H 70 O 6 N 4 Mg )

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

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

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

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

Reaksi Terang • Energi cahaya akan diubah menjadi energi kimia dengan menghasilkan oksigen sebagai produk samping. • Terjadi di dalam membran tilakoid. • Energi cahaya yang diserap klorofil dalam membran tilakoid akan digunakan untuk membentuk ATP dari ADP dan fosfat. • Pada fase ini terjadi fotolisi air yang menhasilkan oksigen.

Reaksi Terang • Hill (1973) light 2 H 20 2 H 2 + O 2 + energi + H on r t c NADP+ Ele ADP +P 2 NADPH 2 ATP

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

• 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 dekat 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 • Fotosistem merupakan unit pengumpul cahaya dari 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 • Membran tilakoid – Terdapat 2 tipe fotosistem yaitu fotosistem I dan II

• Fotosistem I Klorofil pusat reaksi dikenal dengan P 700 karena dapat menangkap cahaya dengan panjang gelombang 700 nm. • Fotosistem II Klorofil pusat reaksi disebut P 680 karena spektrum absorpsinya memiliki puncak pada 680 nm

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). – (Ru. BP merupakan substrat untuk pembentukan karbohidrat dalam proses fotosintesis) • 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 3 Enzim yang menyatukan CO 2 dengan Ru. BP dalam proses awal assimilasi, juga dapat mengikat O 2 pada saat yang bersamaan untuk proses fotorespirasi ( fotorespirasi adalah respirasi, proses pembongkaran karbohidrat untuk menghasilkan energi dan hasil samping, yang terjadi pada siang hari). Jika konsentrasi CO 2 di atmosfir ditingkatkan, hasil dari kompetisi antara CO 2 dan O 2 akan lebih menguntungkan CO 2, sehingga fotorespirasi terhambat dan assimilasi akan bertambah besar. Contoh tanaman C 3 antara lain : kedele, kacang tanah, kentang, dll

TANAMAN C 4 • Senyawa yang terbentuk pertama kali setelah berikatan dengan CO 2 adalah senyawa berkarbon empat (oksaloasetat). • Tempat terjadinya fotosintesis terjadi di dua tempat yaitu sel mesofil (siklus C 3) dan seludang pembuluh (siklus C 4). • Tumbuhannya seperti sorgum, amarantus, jagung. • Tumbuhan C 4 → kemampuan melaksanakan fotosintesis lebih tinggi dan lebih tahan terhadap kekeringan.

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 contoh tanaman C 4 adalah jagung, sorgum dan tebu.

• 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

Perbedaan tumbuhan C 3 dan C 4 adalah cara kedua tumbuhan memfiksasi CO 2. Pada tumbuhan C 3, CO 2 hanya difiksasi Ru. BP oleh karboksilase Ru. BP. Karboksilase Ru. BP hanya bekerja apabila CO 2 jumlahnya berlimpah. Tetapi pada sintesis C 4, enzim karboksilase PEP memfiksasi CO 2 pada akseptor karbon lain yaitu PEP. Karboksilase PEP memiliki daya ikat yang lebih tinggi terhadap CO 2 daripada karboksilase Ru. BP. Oleh karena itu, tingkat CO 2 menjadi sangat rendah pada tumbuhan C 4, jauh lebih rendah daripada konsentrasi udara normal dan CO 2 masih dapat terfiksasi ke PEP oleh enzim karboksilase PEP. Sistem perangkap C 4 bekerja pada konsentrasi CO 2 yang jauh lebih rendah.

• Tanaman CAM (crassulacean acid metabolism) – 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.