TOPIK7: FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN

(1)

Pengantar Ilmu Pertanian

Pengantar Ilmu Pertanian 11

TOPI K

7

:

FOTOSI NTESI S DAN ENERGI

KEHI DUPAN

TI K :

Setelah

mengikuti

kuliah

ini

,

anda

dapat

menjelaskan

Fotosintesis

dan

energi

(2)

Energi

Surya

/

Energi

Elektromagnetik

Energi

Mekanik

Energi

Panas

Matahari

Energi

Geotermal

/

Panas

Bumi

Energi

Gravitasi

Energi

(3)

Energi

Sintesis

Kimia

Tidak

Tidak semuasemua makhlukmakhluk hiduphidup mendapatkanmendapatkan energienergi daridari fotosintesisfotosintesis sintesis

sintesis kimiakimia

Bakteri

Bakteri nitritnitrit var. nitrosamine var. nitrosamine mengubahmengubah amoniakamoniak menjadimenjadi nitritnitrit selanjutnya

selanjutnya nitratnitrat dandan mendapatkanmendapatkan energienergi nitrifikasinitrifikasi

2NH

2NH₃₃ + 3O+ 3O₂₂ 2HNO2HNO₂₂ + 2H+ 2H₂₂O + + 158 kcalO + + 158 kcal 2HNO

2HNO₂₂ + O+ O₂₂ 2HNO2HNO₃₃ + 36 kcal+ 36 kcal

Bakteri

Bakteri pengoksidpengoksid belerangbelerang mendapatmendapat energienergi daridari::

2H

2H₂₂S + OS + O₂₂ SS₂₂ + 2H+ 2H₂₂ + + energienergi

Bakteri

Bakteri pengoksidpengoksid besibesi mendapatmendapat energienergi daridari::

4Fe

4Fe+ ++ + _{+ 4H}_{+ 4H}++ _{+ O}_{+ O}

2

2 4Fe4Fe+ + ++ + + + 2H+ 2H22O + O + energienergi

kemo

(4)

⌦

Pentingnya fotosintesis bagi makhluk hidup adalah :

- Mengikat energi surya mjd energi dlm bentuk bahan

kimia kaya energi sbg sumber makanan

- Menyegarkan udara dg menghasilkan oksigen

⌦

Hal-hal yg mengakibatkan proses perubahan

karbondioksida mjd oksigen menurun antara lain :

- Menurunnya potensi tumbuhan di dunia

- Meningkatnya kadar CO

₂

di bumi akibat pembakaran

-

Green house effect,

suhu bumi meningkat

⌦

Fotosintesis berpusat pada kloroplast (ditemukan oleh

Julius van Sachs, 1865)

(5)

Fotosintesis

Tumbuhan

Hijau

Penghasil

Penghasil utamautama energienergi kimiakimia melaluimelalui sinarsinar suryasurya adalahadalah tumbuhantumbuhan hijau

hijau 6CO

6CO₂₂ + 6H+ 6H₂₂O O -- CC₆₆HH₁₂₁₂OO₆₆ + 6O+ 6O₂₂ + 6H+ 6H₂₂OO

Setiap

Setiap tahuntahun tumbuhantumbuhan hijauhijau menghasilkanmenghasilkan 400 000 400 000 jtjt ton Oton O₂₂, , mengikat

mengikat 150 000 150 000 jtjt ton COton CO₂₂dandan 25 000 25 000 jtjt ton Hton H₂₂OO Peningkatan

Peningkatan kadarkadar karbondioksidakarbondioksida didi lapisanlapisan atmosfiratmosfir akanakan menghambat

menghambat pengembalianpengembalian energienergi panaspanas daridari bumibumi dandan akanakan meningkatkan

meningkatkan suhusuhu atmosfiratmosfir bumibumi greenhouse effectgreenhouse effect

Julius von Sachs (1865):

Julius von Sachs (1865): prosesproses fotosintesisfotosintesis terjaditerjadi dalamdalam zarahzarah kecil

kecil dalamdalam tumbuhantumbuhan yang yang berwarnaberwarna hijauhijau ((kloroplastkloroplast)) En e r gi

(6)

Langkah

Langkah dalamdalam fotosintesisfotosintesis :: Reaksi

Reaksi terangterang didi lamellalamella Reaksi

Reaksi gelapgelap didi stromastroma

Dr. Melvin Calvin (1961

Dr. Melvin Calvin (1961 menerimamenerima nobelnobel) ) menjelaskanmenjelaskan daurdaur pembentukan

pembentukan karbohidratkarbohidrat DaurDaur CalvinCalvin

Bakteri

Bakteri merahmerah membuatmembuat fotosintesisfotosintesis dengandengan mengikatmengikat HH₂₂SS

6CO

6CO₂₂ + 12H+ 12H₂₂S S -- CC₆₆HH₁₂₁₂OO₆₆ + 12S + 6H+ 12S + 6H₂₂OO

fotoototrofik fotoototrofik

Denah proses fot osint esis

En e r gi su r ya

Reaksi terang

H₂O

Energi surya

O₂

ADP ATP

NADPH + H+

NADP

Reaksi gelap

H₂O CO₂

(7)

CAKUPAN MATERI

•

Peran Fotosi ntesi s

•

Sej arah Fotosi ntesi s

•

Tempat terj adi nya Fotosi ntesi s

•

Reaksi -reksi Fotosi ntesi s

•

Reaksi Terang

•

Reaksi Gel ap

•

Tumbuhan C3, C4 dan CAM

(8)

Pemanenan

enargi surya

Bahan organik

Energi Kimia

Oksigen

Matahari

Makanan

Pakaian

Perumahan

Obat

Kosmetik

Bahan bakar

(9)

(10)

Percobaan aw al Fotosintesis:

Priestley ( 1770- an)

I ngenhousz ( 1780- an)

Priestly: Batang dan daun

mint dapat membersihkan

udara yang telah dikotori

oleh nyala lilin

(11)

Fotosintesis

Fotosintesis melibatkan

tumbuh-tumbuhan yang

ada di darat, perairan air

(12)

Pada tumbuhan tinggi Fotosintesis

terjadi di dalam kloroplas

Stroma

Tilakoid

Membran dalam

Membran luar

Granum

Ruang antar membran

Potongan melintang

daun jagung

Model

(13)

Fotosintesis: proses oksidasi reduksi

Cahaya Matahari

6CO

₂

+ 6H

₂

O

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 6O

₂

Reduksi

(14)

Fotosintesis menghasilkan gas

oksigen dari pemecahan air

6CO

₂

+ 12H

₂

O

*

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 6H

₂

O + 6O

₂*

6CO

₂

6H

₂

O

*

C

₆

H

₁₂

O

₆

6H

₂

O

6O

₂*

6CO

₂*

+ 12H

₂

O

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 6H

₂

O + 6O

₂

(15)

Fotosintesis

Reaksi terang

Reaksi gelap

ATP NADP

H

ADP+Pi NADP+

Re a k si t e ra ng (Da la m Gra na )

Cahaya

H₂O

O₂

CO₂

Gula

(16)

Reaksi terang

ATP

Prosesnya digerakkan oleh cahaya

Cahaya matahari

NADPH

dan

Reaksi terjadi di dalam grana khususnya pada

membran tilakoid kloroplas

Klorofil

(17)

Cahaya matahari: gelombang elektromagnetik

Gelombang mikro

Gelombang radio infra merah

Cahaya Tampak

380 450 500 550 600 650 700 750 nm

Peningkatan

λ

Peningkatan Energi

UV sinar X

(18)

Spektrum cahaya merah

merah

dan biru

biru

adalah yang

efektif diserap oleh pigmen tumbuhan dalam

proses fotosintesis, cahaya hijau

hijau

sebagian

besar dipantulkan

daun berw arna hijau

400 500 600 700

Panjang Gelombang (nm)

L

aj

u

F

oto

si

n

te

sis

Panjang gelombang efektif untuk fotosintesis

(19)

Konsep dasar reaksi terang

Sistem cahaya I I ( PSI I )

Kompleks sitokrom

Sistem cahaya I ( PSI )

NADP reduktase

ATP sintase Bagian dalam tilakoid

H+

H+ H+ _H+

H+ H+

H+

H+ _H+

NADPH

(20)

Air dipecah sebagai sumber elektron di sistem cahaya I I

Elektron yang tereksitasi mentransfer energinya ke rangkaian pembawa elektron dengan tingkat energi yang lebih rendah untuk memompa proton (H+_{) dari}

stroma ke ruang dalam tilakoid (matriks)

Terjadi perbedaan konsentrasi ion H+ antar dua permukaan membran (matriks dan stroma)

Beda potensial ini digunakan ion H+ _{kembali ke stroma}

melewati enzim

ATP sintase

untuk membentuk ATP dari ADP

Elektron akhirnya diterima oleh penerima elektron

terakhir yaitu NADP+ _{sehingga berubah menjadi NADPH}

(21)

Chl* Chl e -PQ Cyt PC e

-I Chl*

Chl

e

-e

-Fd

NADP+ + H+

NADPH H 2O O2 + H+ H+ e

-ADP + P i

ATP

Foton

Sistem cahaya II (PSII) _{Rantai Reaksi redoks} _{Sistem cahaya I (PSI)}

(22)

Reaksi gelap

Tidak berhubungan langsung dengan cahaya

memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi

terang untuk mereduksi CO

₂

menjadi gula

Tetap terjadi pada saat ada cahaya/ siang hari

Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO

₂

ATP

ADP NADPH

NADP+

Siklus Calvin

CO₂+ H₂O

(23)

Pengantar Ilmu Pertanian _NADP+ 2323 ADP + Pi

Karboksilasi

Glise

raldehid-3-fosfat

CO₂ + H₂O

Reduksi

ATP

NADPH

+

Sucrose, Starch

Regenerasi

ATP

ADP

SI KLUS

CALVI N

3-Fosfogliserat

Ribulosa-1,5-bisfosfat

Sukrosa, pati

Setiap 12 G3P:

10

regenerasi

2

gula

(24)

Berdasarkan metabolisme fotosintesis

dan anatomi daunnya tumbuhan

dikelompokkan ke dalam 3 grup:

Tumbuhan C3

Tumbuhan C4

Tumbuhan CAM

(25)

CO

₂

Gula

Siklus Calvin

CO

₂

Gula

Siklus Calvin

CO

₂

Gula

•

Reduksi karbon terjadi melalui

siklus Calvin ( siklus C3)

•

Disebut tumbuhan C3 karena

senyaw a aw al yang terbentuk

berkarbon 3 ( fosfogliserat)

•

Sebagian besar tumbuhan

tinggi masuk ke dalam

kelompok tumbuhan C3

•

Apabila stomata menutup

akibat stress terjadi

peningkatan fotorespirasi

pengikatan O

₂

oleh enzim

Rubisco

(26)

Tumbuhan C4

Epidermis atas

Sel mesofil Pembuluh daun

Sel seludang Pembuluh

Epidermis bawah Stomata

•

Sel seludang pembuluh

berkembang dengan

baik dan banyak

mengandung kloroplas

•

Fotosintesis terjadi di

dalam sel mesofil dan

sel seludang pembuluh

•

Pengikatan CO

₂

di udara melalui lintasan C4 di sel

mesofil dan reduksi karbon melalui siklus Calvin

( siklus C3) di dalam sel seludang pembuluh

(27)

Tumbuhan C4

•

Pengikatan CO

₂

di udara

terjadi di dalam sel

mesofil melalui lintasan

C4 dan reduksi karbon

terjadi di dalam sel

seludang pembuluh

melalui siklus Calvin

(siklus C3)

•

Beberapa tumbuhan

tropis termasuk dalam C4

seperti jagung, tebu dan

bayam (

Amaranthus

sp.)

Malat Malat

Lintasan

C4

CO

CO₂₂

Siklus

Calvin

Gula Gula Malat Malat CO

CO₂₂

Piruvat

Piruvat

(28)

Tumbuhan CAM

Umumnya tumbuhan yang beradaptasi pada keadaan

kering seperti kaktus, anggrek dan nenas

Reduksi karbon melalui lintasan C4 dan C3 dalam sel mesofil

tetapi waktunya berbeda

Pada malam hari terjadi lintasan C4 pada siang hari terjadi suklus C3

(29)

Karakteristik reduksi

karbon pada tumbuhan

C3

C4

CAM

CO₂ Gula Siklus Calvin Sel mesofil Sel mesofil S el me so fi l S el me so fi l Malat Malat Lintasan Lintasan C4 C4 CO

CO₂₂

Siklus Calvin Gula Gula Malat Malat CO

CO₂₂

Piruvat Piruvat Piruvat Piruvat Malat Malat Lintasan Lintasan C4 C4 CO

CO₂₂

Gula

CO

CO₂₂

Siklus Calvin Gula Gula Malat Malat CO

CO₂₂

(30)

Pemanasan global akibat efek rumah kaca

dari CO

₂

di atmosfir

(31)

Nisbah

Pemanfaatan

Energi

Surya

oleh

Makhluk

Hidup

Rata

Rata--rata rata energienergi suryasurya sampaisampai didi tepitepi luarluar atmosfiratmosfir bumibumi per

per tahuntahun = 263 000 = 263 000 langleylangley (1 (1 langleylangley = 1 gcal/ cm= 1 gcal/ cm22₎₎

123 000

123 000 langley/ tahunlangley/ tahun dipantulkandipantulkan oleholeh awanawan atauatau diserap

diserap air/air/debudebu

140 000

140 000 langley/ tahunlangley/ tahun sampaisampai keke permukaanpermukaan bumibumi 11- -2%

2% dimanfaatkandimanfaatkan untukuntuk fotosintesisfotosintesis ((khususkhusus yang yang memp

memp. . PanjangPanjang gelombanggelombang 0.40.4--0.7 0.7 mikronmikron))

Efisiensi

Efisiensi pemanfaatanpemanfaatan energienergi dalamdalam karbohidratkarbohidrat berbedaberbeda untuk

untuk makhlukmakhluk hiduphidup. . TumbuhanTumbuhan menyerapmenyerap energienergi dalam

(32)

Pemanfaatan

Pemanfaatan energienergi::

1.

1. MatahariMatahari menyampaikanmenyampaikan 1.3 x 101.3 x 102323 kal/ tahunkal/ tahun

2.

2. TumbuhanTumbuhan memanfaatkanmemanfaatkan 1 x 101 x 102121 kal/ tahunkal/ tahun

3.

3. HerbivoraHerbivora memanfaatkanmemanfaatkan 5 x 105 x 102020 kal/ tahunkal/ tahun

4.

4. KarnivoraKarnivora memanfaatkanmemanfaatkan 1 x 101 x 102020 kal/ tahunkal/ tahun

5.

5. KarnivoraKarnivora tingkattingkat duadua memanfaatkanmemanfaatkan 3 x 103 x 101919

kal/ tahun

Perbedaan

Perbedaan pendayagunaanpendayagunaan energienergi mempengaruhimempengaruhi polapola makan

makan bangsabangsa--bangsabangsa Bangsa

Bangsa miskinmiskin banyakbanyak mengkonsumsimengkonsumsi nabatinabati Bangsa

(33)