FOTOSINTESIS

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
CO2
O2
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
( C55 H72 O5 N4 Mg )
•Klorofil b = Berwarna hijau muda
( C55 H70 O6 N4 Mg )
Light energy
ECOSYSTEM
Energi mengalir ke
dalam suatu ekosistem
sebagai cahaya
matahari dan
meninggalkannya
dalam bentuk panas
Photosynthesis
in chloroplasts
CO2 + H2O
Organic
+ O2
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 CO2
menjadi CH2O
Persamaan Fotosintesis
• Fotosintesis
light
6CO2 +6H20
C6H1206 + 6O2
Pada fotosintesis
Fotosintesis terdiri dari dua proses yaitu
-Reaksi terang
-Siklus Calvin
Reduksi CO2 menjadi karbohidrat melalui oksidasi
carrier energi (ATP, NADPH)
Reaksi terang memberi energi pada carrier
Reaksi gelap (siklus Calvin) menghasilkan PGAL
(phosphoglyceraldehyde)
Light
Chloroplast
NADP
RuBP
ADP
+P
Light
reactions
3-PGA
Calvin
cycle
G3P
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
2H20
2H2 + O2 + energi
ADP
NADP+
+P
2NADPH2
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 O2 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 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
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 P700 karena dapat menangkap cahaya
dengan panjang gelombang 700 nm.
• Fotosistem II  Klorofil pusat reaksi disebut
P680 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 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
Nonsiklik
Menghasilkan NADPH, ATP, dan oksigen
Aliran siklik
– Hanya fotosistem I yang digunakan
– Hanya ATP yang dihasilkan
Reaksi terang dan kemiosmosis:
Organisasi membran tilakoid
H2O
CO2
LIGHT
NADP+
ADP
LIGHT
REACTOR
CALVIN
CYCLE
ATP
NADPH
STROMA
(Low H+ concentration)
O2
[CH2O] (sugar)
Cytochrome
complex
Photosystem II
Photosystem I
NADP+
reductase
Light
2 H+
3
Fd
NADPH
Pq
NADP+ + 2H+
+ H+
Pc
2
H2O
THYLAKOID SPACE
(High H+ concentration)
1⁄
1
2
O2
+2 H+
2 H+
To
Calvin
cycle
STROMA
(Low H+ concentration)
Thylakoid
membrane
ATP
synthase
ADP
ATP
P
H+
Siklus Calvin menggunakan ATP dan NADPH untuk
mengkonversi CO2 menjadi gula
• Siklus calvin
– Terjadi di stroma
• Siklus Calvin memiliki 3 tahap
– Fiksasi karbon
– Reduksi
– Regenerasi akseptor CO2
Siklus Calvin
Light
H2O
CO2
Input
3 (Entering one
CO2 at a time)
NADP+
ADP
LIGHT
REACTION
CALVIN
CYCLE
ATP
Phase 1: Carbon fixation
NADPH
O2
Rubisco
[CH2O] (sugar)
3 P
3 P
P
Short-lived
intermediate
P
Ribulose bisphosphate
(RuBP)
P
6
3-Phosphoglycerate
6 ATP
6 ADP
CALVIN
CYCLE
3 ADP
3
ATP
Phase 3:
Regeneration of
the CO2 acceptor
(RuBP)
6 P
P
1,3-Bisphoglycerate
6 NADPH
6 NADPH+
6 P
P
5
(G3P)
6
P
Glyceraldehyde-3-phosphate
(G3P)
1
P
G3P
(a sugar)
Output
Glucose and
other organic
compounds
Phase 2:
Reduction
Siklus Calvin
• Dimulai dari CO2 dan
menghasilkan
Glyceraldehyde 3phosphate
• 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).
– (RuBP merupakan substrat
untuk pembentukan
karbohidrat dalam proses
fotosintesis)
• Bentuk gula 6C pecah
menjadi 3phosphoglycerate
2 Tiap molekul 3phosphoglycerate
menerima tambahan grup
fosfat membentuk 1,3Bisphosphoglycerate
(fosforilasi ATP)
• NADPH dioksidasi dan
elektron yang ditransfer
ke 1,3Bisphosphoglycerate
memecah molekul dengan
tereduksi menjadi
Glyceraldehyde 3phosphate
3 Tahap terakhir dari
siklus ini adalah
regenerasi RuBP
• Glyceraldehyde 3phosphate dikonversi
menjadi RuBP
melalui sebuah seri
reaksi yang
melibatkan fosforilasi
molekul oleh ATP
Tanaman C3
Enzim yang menyatukan CO2 dengan RuBP dalam
proses awal assimilasi, juga dapat mengikat O2 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 CO2 di atmosfir ditingkatkan, hasil
dari kompetisi antara CO2 dan O2 akan lebih
menguntungkan CO2, sehingga fotorespirasi
terhambat dan assimilasi akan bertambah besar.
Contoh tanaman C3 antara lain : kedele, kacang
tanah, kentang, dll
TANAMAN C4
• Senyawa yang terbentuk pertama kali setelah
berikatan dengan CO2 adalah senyawa berkarbon
empat (oksaloasetat).
• Tempat terjadinya fotosintesis terjadi di dua tempat
yaitu sel mesofil (siklus C3) dan sel seludang
pembuluh (siklus C4).
• Tumbuhannya seperti sorgum, amarantus, jagung.
• Tumbuhan C4 → kemampuan melaksanakan
fotosintesis lebih tinggi dan lebih tahan terhadap
kekeringan.
Tanaman C4
• Tanaman C4 meminimalkan keperluan fotorespirasi
– dengan cara menggabungkan CO2 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
contoh tanaman C4 adalah jagung, sorgum dan tebu.
• Anatomi daun C4 dan jalur C4
Mesophyll
cell
Mesophyll cell
Photosynthetic
cells of C4 plant
leaf
Bundlesheath
cell
COCO
2 2
PEP carboxylase
PEP (3 C)
Oxaloacetate (4 C)
ADP
Vein
(vascular tissue)
Malate (4 C)
ATP
C4 leaf anatomy
BundleSheath
cell
Pyruate (3 C)
CO2
Stoma
CALVIN
CYCLE
Sugar
Vascular
tissue
Perbedaan tumbuhan C3 dan C4 adalah cara kedua
tumbuhan memfiksasi CO2.
Pada tumbuhan C3,CO2 hanya difiksasi RuBP oleh
karboksilase RuBP. Karboksilase RuBP hanya
bekerja apabila CO2 jumlahnya berlimpah.
Tetapi pada sintesis C4,enzim karboksilase PEP
memfiksasi CO2 pada akseptor karbon lain yaitu
PEP. Karboksilase PEP memiliki daya ikat yang lebih
tinggi terhadap CO2 daripada karboksilase RuBP.
Oleh karena itu,tingkat CO2 menjadi sangat rendah
pada tumbuhan C4,jauh lebih rendah daripada
konsentrasi udara normal dan CO2 masih dapat
terfiksasi ke PEP oleh enzim karboksilase PEP.
Sistem perangkap C4 bekerja pada konsentrasi CO2
yang jauh lebih rendah.
• Tanaman CAM (crassulacean acid metabolism)
– Membuka stomatanya pada malam hari,
menggabungkan CO2 ke dalam asam organik
• Selama siang hari, stomata tertutup
– CO2 dilepaskan dari asam organik untuk
digunakan dalam siklus Calvin
• Jalur CAM mirip dengan jalur C4
Pineapple
Sugarcane
C4
Mesophyll Cell
Organic acid
Bundlesheath cell
(a) Spatial separation of
steps. In C4 plants,
carbon fixation and the
Calvin cycle occur in
different
types of cells.
CALVIN
CYCLE
Sugar
CAM
CO2
1 CO2 incorporated
into four-carbon
organic acids
(carbon fixation)
2 Organic acids
release CO2 to
Calvin cycle
CO2
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.