2. FOTOSINTESIS - Spada UNS

FOTOSINTESIS

diskusi

1. Tempat terjadinya fotosintesis, fotosistem

2. Reaksi terang, aliran elektron siklik, non siklik 3. Reaksi gelap

4. Perbedaan tanaman C3,C4,CAM

Proses yang mengubah energi matahari menjadi

energi kimia

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 CO₂ dan 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

Yang terlibat dalam reaksi fotosintesis

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 :

6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2

FS pada bakteri memakai pereduksi lebih kuat

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

• Persamaan reaksi :

2CO2 + H2R  2CH2O + O2 +2R

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

• Proses ini disebut fotofosforilasi

• 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 terangReaksi gelap

• 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⁺ + O₂

e^- fotofosforilasi ATP + 4H⁺

2NADP ^reduksi 2NADPH₂

3. Pembentukan ATP dan reducing power (NADPH2)

2H2O 2NADPH2 + O2 + ATP

• 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

- Keterlibatan enzim misal: RUBP dan PEP carboxilase

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)

(Tumbuhan gurun: kaktus )

• 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) + CO₂ 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

Siklus Calvin-Benson (Fiksasi CO

₂

tanaman C

₃

)

Mekanisme fotosintesis tanaman C

₃

• C

₄

(Siklus Hatch-Slack)

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

2. PEP (Phosphoenol Piruvat) + CO₂ 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

Jalur Hatch Slack (Fiksasi CO

₂

tanaman C

₄

)

Mekanisme fotosintesis tanaman C 4

Mekanisme fotosintesis tanaman C 4

C

₄

: Hatch-Slack pathway & Calvin cycle

Mekanisme fotosintesis tanaman C

₄

Next

• Sel bundle sheath

• Penampang melintang anatomi daun C₃ (a) dan C₄ (b)

Penampang melintang anatomi daun 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

CAM

Perbedaan mekanisme

fotosintesis tanaman C4 dan CAM

Next

• Fotosintesis terjadi di kloroplas

• Daun pada tanaman merupakan

tempat utama terjadinya fotosintesis

Vein Leaf cross section

Mesophyll

CO₂ O₂ Stomata

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

dalam bentuk panas

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 CO₂ menjadi CH₂O

Chloroplast

NADP^ ADP + P

RuBP

3-PGA

Light reactions

Calvin cycle

G3P Light

Cellular respiration Cellulosse

Starch

Other organic compounds

Persamaan Fotosintesis

• Fotosintesis

6CO

₂

+6H

₂

0 + light  C

₆

H

₁₂

0

₆

+ 6O

₂

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

- Siklus Calvin

• 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

(Lamellae)

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

– Efektivitas relatif panjang gelombang yang berbeda dalam menjalankan fotosintesis

Rate of photosynthesis (measured by O 2 release)

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

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.

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

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 yaitu fotosistem I & 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 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

Nonsiklik

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

– Regenerasi akseptor CO

₂

(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

6 P

Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P)

6 ATP

3 ATP

3 ADP CALVIN

CYCLE

5 P

1 P

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 3-

phosphoglycerate

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

Tanaman C4

• 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

digunakan dalam siklus Calvin

• 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

C₄ 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

Selamat Belajar