Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

diskusi

1. Tempat terjadinya fotosintesis, fotosistem

2. Reaksi terang, aliran elektron siklik, non siklik

3. Reaksi gelap

Proses yang mengubah

energi matahari menjadi

PENGERTIAN FOTOSINTESIS

• Proses yang menghasilkan gula dari dua bahan mentah

sederhana yaitu karbodioksida (CO₂) dan air (H₂O) di dalam

khlorofil (zat hijau daun pada tumbuhan)

• Proses fisika biokimiawi yang menghasilkan bahan organik

dari bahan anorganik stabil dengan bantuan cahaya matahari

• Pembentukan senyawa yang mengandung C (gula= C₆H₁₂O₆)

dari CO₂dan H₂O oleh tumbuhan hijau dengan adanya cahaya matahari dan sebagai hasil sampingnya adalah O₂

Reaksi Fotosintesis

6CO₂ + 6H₂O cahaya matahari C₆H₁₂O₆ + 6O₂ khlorofil

1. Karbondioksida (CO

₂

)

- Diserap dari atmosfer melalui mulut daun

- Pada permukaan tanah kandungan karbon-dioksida

lebih besar daripada di atas tajuk

2. Air

- Diperoleh dari dalam tanah

3. Amilum

- salah satu jenis karbohidrat disusun oleh elemen

karbon, hidrogen dan oksigen

4. Oksigen

- Produk fotosintesis yang dilepaskan ke udara

digunakan oleh semua mahluk hidup di dunia

5

.

Cahaya Matahari

- Digunakan sebagai sumber tenaga dalam melakukan fotosintesis

- Besar kecilnya intensitas yang diterima dipengaruhi oleh morfologi daun (Fitter & hay, 1991)

- Pada tumbuhan tingkat tinggi t.d. 2 pigment:

1. blue-green chlorophyll a (C

₅₅

H

₇₂

O

₅

N

₄

Mg)

2. yellow-green chlorophyll b (C

₅₅

H

₇₀

O

₆

N

₄

Mg)

- Proporsi kedua pigmen bervariasi pada jenis

tumbuhan yang berbeda. Secara umum tumbuhan

berbunga memiliki perbandingan 3 : 1

5. Khlorofil

- Zat hijau daun, berperan untuk mengkonversi

energi sinar menjadi energi kimia

- Jumlah dan penyebarannya bervariasi menurut

spesies, lingkungan dan umur daun

Persamaan raksi fotointesis

keseluruhan :

FS pada bakteri memakai pereduksi

lebih kuat

• Yaitu H2, H2S, H2R (R adalah gugus organik)

• Persamaan reaksi :

FS pada tumbuhan tinggi dibagi 2

tahap :

• Tahap pertama : Energi matahari ditangkap

oleh pigmen penyerap cahaya dan diubah

menjadi bentuk energi kimia, ATP dan

senyawa reduksi NADPH  reaksi TERANG

• Persamaan :

H2O + NADP+ + ADP + Pi –foton-> O2 + H+ +

NADPH + ATP

Tahap antara : pengangkutan elktron dan

fotofosforilasi

• Dalam hal ini pembentukan ATP dari ADP dan

Pi mrp suatu mekanisme penyimpanan energi

matahari yang diserap kemudian diubah

menjadi energi kimia

• Tahap kedua REAKSI GELAP : NADPH dan ATP

yang dihasilkan dalam tahap pertama dipakai

untuk proses reaksi reduksi CO2 menjadi

glukosa dengan persamaan,

CO2 + NADPH + H+ + ATP glukosa + NADP+ +

ADP + Pi

MEKANISME FOTOSINTESIS

Urutan proses fotosintesis

1. Penangkapan cahaya matahari oleh khloroplas (zat hijau daun)

2. Pemisahan molekul air diiringi pelepasan elektron berenergi tinggi dan penghasilan O₂

3. Transfer elektron yg menyebabkan pembentukan energi kimia (ATP) dan tenaga pereduksi (NADPH₂)

4. Penggunaan ATP dan NADPH₂ untuk fiksasi CO₂ menjadi Karbohidrat kompleks spt sukrosa, pati, sellulosa,

hemisellulosa

NADPH : Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat, ATP : Adenosin trifosfat, energi dalam sistem biologi

Reaksi teran g Re aksi gel ap

• Reaksi terang (Fotofosforilasi)

1. Penangkapan energi cahaya oleh khloroplas

2. Pemecahan H

₂

O dengan hasil energi dan

oksigen (O

₂

)

Fotolisis

2 H₂O 4 e- _{+ 4 H}+ _{+ O} 2 e- _{fotofosforilasi ATP} + 4H+

2NADP reduksi 2NADPH₂

3. Pembentukan ATP dan reducing power (NADPH2)

• Reaksi gelap (Fiksasi CO

₂

)

1. Penggunaan ATP dan NADPH untuk fiksasi CO

₂

2. Reduksi CO

₂

menjadi KH kompleks

6CO

₂

+ 12NADPH

_{2 +}

18 ATP

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 12NADP +

18ADP + 8Pi + 6H

₂

O

CAHAYA H₂O O2 ADP + Pi NADP+ ATP NADPH2 (CH2O)n CO2 CAHAYA ENZIM Fotofosforilasi (Reaksi terang) Fiksasi CO₂ (Reaksi gelap)

• Reaksi gelap (Fiksasi CO

₂

)

- Dikenal jenis tanaman berdasarkan jalur fiksasi

CO

₂

Tanaman C3

(sebagian besar tumbuhan)

Tanaman C4

(jagung, tebu)

Tanaman CAM

(Crassulacean Acid

Metabolism)

• C

₃

(Siklus Calvin-Benson)

1. Senyawa pertama terbentuk adalah senyawa dg 3 atom C yaitu PGA (Phospho Glyceric Acid)

2. RuBP (Ribulose mono-P) + CO_{2 RuBP carboxilase} 2 PGA 3. Enzim RuBP Carboxilase (RUBISCO)

4. RuBP Carboxilase dihambat secara kompetitif oleh O₂, shg jika O₂ meningkat fotosintesis turun

5. Titik kompensasi CO₂ tinggi

6. Fotorespirasi tinggi (respirasi oleh jaringan fotosintetik;

tergantung pd cahaya [light dependent]; pemecahan KH yg baru dibentuk dr proses fotosintesis)

7. Khlorofil ada di mesofil

8. Sel bundle sheath sedikit/tidak punya 9. Siklus Calvin

• C

₄

(Siklus Hatch-Slack)

1. Senyawa pertama terbentuk: senyawa dg 4 atom C spt asam aspartat, malat dan oksaloasetat

2. PEP (Phosphoenol Piruvat) + CO_{2 PEP Carboxylase} As Oksaloasetat 3. Enzim PEP Carboxylase mempunyai afinitas yang sangat besar thd

CO₂ shg tidk tergantung pd konsentrasi oksigen 4. Titik kompensasi CO₂ rendah

5. Fiksasi CO₂ awal tjd pd mesofil, lalu asam yg terbentuk ditransport ke sel bundle sheath. Di sel bundle sheath asam didekarboksilasi melepaskan CO₂ yang akan masuk ke siklus Calvin

peningkatan konsentrasi CO₂

PEP kembali masuk siklus Hatch-Slack 6. Banyak sel bundle sheath

7. Fotorespirasi rendah

CO₂ hasil respirasi dimanfaatkan lagi dalam siklus Hatch- Slack dan Siklus Calvin

8. Siklus Hatch-Slack dan Siklus Calvin 9. Enzim RUBISCO dan PEP-Carboxylase

Mekanisme fotosintesis tanaman C

₄

• CAM

(Crassulacean Acid Metabolism) 1. Mekanisme fiksasi CO₂ mirip C₄ yaitu - tdp siklus Hatch-Slack dan Calvin - enzim PEP dan RuBPcarboxilase 2. Perbedaan tanaman C4 dan CAM C4 : tjd pada ruang yang berbeda CAM: tjd pada waktu yang berbeda 3. Pada malam hari:

Stomata membuka

Fiksasi CO₂ membentuk asam oksaloasetat dan malat oleh enzim PEP karboksilase

4. Siang hari

Stomata menutup (mengurangi transpirasi) Dekarboksilase melepaskan CO₂ yg selanjutnya

digunakan (masuk) pada siklus Calvin 5. Tumbuhan sukulen

Stomat a open

Perbedaan mekanisme

fotosintesis tanaman C4 dan CAM

• Fotosintesis terjadi di kloroplas

• Daun pada tanaman merupakan

tempat utama terjadinya fotosintesis

Vein

Leaf cross section

Mesophyll

CO2 O2

Light energy ECOSYSTEM CO₂ + H₂O Photosynthesis in chloroplasts Cellular respiration in mitochondria Organic molecules + O2 ATP

powers most cellular work

Heat energy

Energi mengalir ke

dalam suatu

ekosistem sebagai

cahaya matahari

dan

meninggalkannya

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

Chloroplast NADP ADP + P RuBP 3-PGA Light reactions Calvin cycle G3P Light Cellular respiration Cellulosse Starch Other organic compounds

Persamaan Fotosintesis

• Fotosintesis

Pada fotosintesis

Reduksi CO2 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 :

- Reaksi terang

• 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

Struktur kloroplas

Chloroplast Mesophyll 5 µm Outer membrane Intermembrane space Inner membrane Thylakoid space Thylakoid Granum Stroma 1 µm

Struktur Kloroplast

Kloroplast berisi

- Stroma (proteinaceous matrix) - tdp enzim utk fiksasi C

- Grana (cylindrical bodies)

- t.a. kumpulan struktur membran berbentuk disk yg disebut lamellae atau thylakoid

- Klorofil melekat pd lamellae - Grana 1 dg lainnya dihub oleh

intergrana lamellae

- Tdp pigmen dan enzim utk reaksi terang

Bentuk : ovoid, disk, piring Diameter 5 µm; tebal 2-3 µm

cahaya

• Energi elektromagnetik bergerak dalam bentuk

gelombang

• Terdapat hubungan yang berbalik antara panjang

gelombang dengan energi

Spektrum tampak

- termasuk warna-warna cahaya

yang dapat kita lihat

- termasuk panjang gelombang

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

– Efektivitas relatif panjang gelombang yang berbeda

dalam menjalankan fotosintesis

Ra te of phot os yn thesis (measur ed b y O 2 r elea se)

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

• Spektrum aksi fotosintesis

– Ditunjukkan oleh Theodor W. Engelmann

400 500 600 700

Aerobic bacteria

Filament of alga

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 O2.

Bakteri berkumpul dalam jumlah besar disekitar alga yang mendapat cahaya biru-violet dan merah.

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

• Klorofil tereksitasi oleh cahaya

• Saat pigmen menyerap cahaya

– Klorofil tereksitasi dan menjadi tidak stabil

Excited state Heat Photon (fluorescence) Chlorophyll molecule Ground state Photon e–

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 & II _{• Membran tilakoid}

– Terdapat 2 tipe fotosistem

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 dan diganti oleh elektron yang didonasikan oleh air

– Mensintesis ATP dan NADPH

– Donasi elektron mengkonversi air O₂ dan 2H+

• Aliran elektron siklik

– Hanya menggunakan fotosistem I – Elektron dari fotosistem I di-recycle – Mensintesis ATP

Menghasilkan NADPH, ATP, dan oksigen

Aliran siklik

–Hanya fotosistem I yang digunakan

–Hanya ATP yang dihasilkan

Reaksi terang dan kemiosmosis:

Organisasi membran tilakoid

LIGHT REACTOR NADP+ ADP ATP NADPH CALVIN CYCLE [CH2O] (sugar) STROMA (Low H+ _{concentration)} Photosystem II LIGHT H2O CO2 Cytochrome complex O2 H2O O2 1 1_⁄ 2 2 Photosystem I Light THYLAKOID SPACE (High H+ _{concentration)} STROMA (Low H+ _{concentration)} Thylakoid membrane ATP synthase Pq Pc Fd NADP+ reductase NADPH + H+ NADP+ _{+ 2H}+ To Calvin cycle ADP P ATP 3 H+ 2 H+ +2 H+ 2 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

(G3P) Input (Entering one at a time) CO₂ 3 Rubisco Short-lived intermediate 3 P P 3 P P Ribulose bisphosphate (RuBP) P 3-Phosphoglycerate P 6 P 6 1,3-Bisphoglycerate 6 NADPH 6 NADPH+ 6 P P 6 Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) 6 ATP 3 ATP 3 ADP CALVIN CYCLE P 5 P 1 G3P (a sugar) Output Light H2O CO2 LIGHT REACTION ATP NADPH NADP+ ADP [CH2O] (sugar) CALVIN CYCLE O2 6 ADP Glucose and other organic compounds

Phase 1: Carbon fixation

Phase 2: Reduction Phase 3: Regeneration of the CO2 acceptor (RuBP)

Siklus Calvin

Siklus Calvin

• Dimulai dari CO₂ dan menghasilkan

Glyceraldehyde 3-phosphate

• Tiga bagian siklus Calvin menghasilkan 1 produk molekul • Tiga tahap – Fiksasi karbon – Reduksi CO2 – Regenerasi RuBP

1 Sebuah molekul CO2

dikonversi dari bentuk inorganiknya menjadi

molekul organik (fixation) melalui pengikatan ke gula 5C (ribulose bisphosphate atau RuBP).

– Dikatalisasi oleh enzim

RuBP carboxylase (Rubisco).

• Bentuk gula 6C pecah

menjadi

2 Tiap molekul

3-phosphoglycerate menerima tambahan

grup fosfat membentuk 1,3-Bisphosphoglycerate

(fosforilasi ATP)

• NADPH dioksidasi dan

elektron yang ditransfer ke 1,3-Bisphosphoglycerate memecah molekul dengan tereduksi menjadi Glyceraldehyde 3-phosphate

3 Tahap terakhir dari

siklus ini adalah regenerasi RuBP

• Glyceraldehyde

3-phosphate dikonversi menjadi RuBP

melalui sebuah seri reaksi yang

melibatkan

fosforilasi molekul oleh ATP

• Tanaman C4 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

CO2 dilepaskan yang digunakan dalam siklus

Calvin

• Anatomi daun C

₄

dan jalur C

₄

CO2 Mesophyll cell Bundle- sheath cell Vein (vascular tissue) Photosynthetic cells of C4 plant leaf Stoma Mesophyll cell C4 leaf anatomy PEP carboxylase Oxaloacetate (4 C) PEP (3 C) Malate (4 C) ADP ATP Bundle- Sheath cell CO2 Pyruate (3 C) CALVIN CYCLE Sugar Vascular tissue CO₂

• 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

• Jalur CAM mirip dengan jalur C

₄

Spatial separation of steps. In C₄ plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in different types of cells.

(a) _{Temporal separation of} steps. In CAM plants,

carbon fixation and the Calvin cycle occur in the same cells at different times. (b) Pineapple Sugarcane Bundle- sheath cell Mesophyll Cell Organic acid CALVIN CYCLE Sugar CO₂ CO₂ Organic acid CALVIN CYCLE Sugar C_{4 CAM} CO₂ incorporated into four-carbon organic acids (carbon fixation) Night Day 1 2 Organic acids release CO₂ to Calvin cycle

Percobaan fotosintesis

1. Ingenhouz

2. Sach