FOTOSINTESIS

BIOSINTESIS KARBOHIDRAT
Tujuan Belajar
Setelah menyelesaikan bab ini mahasiswa harus mampu:









Menjelaskan persamaan umum fotosintesis dan mampu menunjukkan di
mana proses setiap reaktan digunakan dan masing-masing produk yang
dihasilkan.
Menjelaskan kedua proses utama fotosintesis dan menjelaskan apa yang
terjadi di masing-masing tahapan reaksi.
Menjelaskan pentingnya siklus ATP / ADP
Menjelaskan sifat cahaya dan bagaimana cahaya dikaitkan dengan pelepasan
elektron dari fotosistem.
MenJelaskan bagaimana susunan pigmen pada membran tilakoid tersebut
dan bagaimana kaitannya dengan energi foton cahaya.
Menjelaskan peran klorofil di kloroplas untuk memulai reaksi cahaya.
Menjelaskan fungsi sistem transpor elektron pada membran tilakoid.
Menjelaskan peran dua molekul pembawa energi yang diproduksi reaksi
cahaya (ATP dan NADPH) dan reaksi gelap.
Menjelaskan siklus Benson-Calvin dalam hal reaktan dan produk.
Metabolisme
Sel merupakan unit kehidupan yang terkecil, oleh karena itu sel dapat menjalankan
aktivitas hidup, di antaranya metabolisme. Metabolisme adalah proses-proses kimia
yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup/sel. Metabolisme disebut juga reaksi
enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim.
Berdasarkan prosesnya metabolisme dibagi menjadi 2, yaitu:
1. Anabolisme/Sintesis,
yaitu proses pembentaukan molekul yang kompleks dengan menggunakan energi.
Contoh : fotosintesis (asimilasi C)
energi cahaya
6 CO2 + 6 H2O ———————————> C6H1206 + 6 02
klorofil
glukosa
(energi kimia)
Pada kloroplas terjadi transformasi energi, yaitu dari energi cahaya sebagai energi
kinetik berubah menjadi energi kimia sebagai energi potensial, berupa ikatan
senyawa organik pada glukosa. Dengan bantuan enzim-enzim, proses tersebut
berlangsung cepat dan efisien.
2. Katabolisme
yaitu proses penguraian senyawa organik untuk membebaskan energi kimia yang
tersimpan dalam senyawa organik tersebut.
Contoh: Respirasi
1
enzim
C6H12O6 + 6 O2 ———————————> 6 CO2 + 6 H2O + 686 KKal.
energi kimia
Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil terjadi pelepasan energi sehingga
terbentuk energi panas. Bila pada suatu reaksi dilepaskan energi, reaksinya disebut reaksi
eksergonik. Reaksi semacam itu disebut juga reaksi eksoterm.
Fotosintesis
adalah proses dengan mana tumbuhan, beberapa bakteri, dan beberapa protista
menggunakan energi sinar matahari untuk menghasilkan karbohidrat.
Konversi energi sinar matahari menjadi energi kimia, terkait dengan pigmen hijau daun,
klorofil . Proses fotosintesis menggunakan air dan melepaskan oksigen.
Keseluruhan reaksi proses fotosintesis dapat ditulis sbb:
6H 2 O + 6CO 2 ----------> C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Enam molekul air ditambah enam molekul karbon dioksida menghasilkan satu molekul
gula ditambah enam molekul oksigen
Diagram dari sebuah tanaman, yang menunjukkan input dan output dari proses
fotosintesis.
Struktur Daun
Sebuah daun dapat dilihat sebagai kolektor surya yang mengadung sel-sel fotosintetik.
Bahan baku fotosintesis, air dan karbon dioksida, masuk ke sel-sel daun, dan produk
fotosintesis, gula dan oksigen, meninggalkan daun.
2
Penampang daun, menunjukkan ciri-ciri anatomi yang penting untuk mempelajari
fotosintesis: stoma, sel penjaga, sel mesofil, dan pembuluh.
Air memasuki akar dan diangkut ke daun melalui sel-sel tumbuhan khusus yang dikenal
sebagai xilem.Tanaman harus dicegah dari kekeringan sehingga stomata
memungkinkan gas memasuki dan meninggalkan daun. Karbon dioksida tidak dapat
melewati lapisan lilin pelindung yang menutupi daun (kutikula), tetapi dapat memasuki
daun melalui pembukaan stoma (jamak= stomata; Yunani untuk lubang) diapit oleh dua
sel penjaga. Demikian juga, oksigen yang dihasilkan selama fotosintesis hanya dapat
keluar dari daun melalui stomata yang terbuka. Sayangnya untuk tanaman, pada saat
gas-gas ini keluar dari daun, banyak juga air hilang.
Pohon cotton, misalnya, akan kehilangan 100 galon air per jam selama hari panas
digurun pasir.
Gbr. stoma Daun
Cahaya
Cahaya putih diuraikan menjadi warna yang berbeda (= panjang gelombang) cahaya
dengan cara melewatkannya melalui prisma. Panjang gelombang didefinisikan sebagai
jarak dari puncak ke puncak (atau palung ke palung). Energi porportional berbanding
3
terbalik dengan panjang gelombang: panjang gelombang yang tinggi memiliki energi
yang lebih rendah daripada yang lebih pendek
Gbr. Panjang gelombang dan aspek lain dari sifat gelombang dari cahaya
Urutan warna ditentukan oleh panjang gelombang cahaya. Cahaya tampak merupakan
salah satu bagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Semakin besar panjang
gelombang cahaya tampak semakin banyak sinar merah. Sebaliknya semakin pendek
panjang gelombang semakin kearah spektrum sinar ungu. Panjang gelombang yang
lebih panjang daripada merah disebut inframerah, sementara sinar yang panjang
gelombang lebih pendek dari violet adalah ultraviolet.
Gbr. Spektrum elektromagnetik.
4
Klorofil dan Aksesori Pigmen
Pigmen adalah suatu substansi yang menyerap cahaya.
Warna pigmen berasal dari panjang gelombang cahaya yang dipantulkan (dengan kata
lain, cahaya yang tidak terserap). Klorofil, pigmen hijau umum untuk semua sel
fotosintesis, menyerap semua panjang gelombang cahaya tampak kecuali hijau, yang
dipantulkan terdeteksi oleh mata.
Pigmen Hitam menyerap semua panjang gelombang yang menabrak mereka. Pigmen
putih memantulkan semua atau hampir semua energi yang menabrak mereka. Pigmen
memiliki spektrum serapan karakteristik mereka sendiri, pola penyerapan pigmen yang
diberikan.
Penyerapan dan transmisi panjang gelombang cahaya yang berbeda oleh
pigmen hipotetis.
Klorofil adalah molekul yang kompleks. Semua organisme fotosintesis (tumbuhan,
protista tertentu, prochlorobacteria, dan cyanobacteria) memiliki klorofil a. Aksesori
pigmen termasuk klorofil b (juga c, d, dan e dalam alga dan protistans), xanthophylls,
dan karotenoid (seperti beta-karoten). Klorofil menyerap energi dari oranye kemerahan
panjang gelombang-Red Blue dan Violet, dan sedikit dari panjang gelombang
menengah (Hijau-Kuning-Oranye).
Karotenoid dan klorofil b menyerap sebagian energi panjang gelombang hijau. Mengapa
tidak begitu banyak panjang gelombang oranye dan kuning?. Kedua klorofil juga
menyerap spektrum merah oranye (dengan panjang gelombang yang lebih panjang dan
energi yang lebih rendah).Asal-usul organisme fotosintesis di laut mungkin tergantung
pada panjang gelombang yang lebih pendek. (Dengan energi yang lebih besar) tidak
menembus jauh di bawah 5 meter dalam air laut. Kemampuan untuk menyerap
sebagian energi spectrum panjang gelombang lebih panjang (maka lebih dalam)
panjang gelombang mungkin merupakan keuntungan untuk fotosintesis ganggang yang
tidak mampu berada di permukaan laut.
5
Gbr. Struktur molekul klorofil
Aksi spektrum fotosintesis adalah efektivitas relatif dari panjang gelombang cahaya yang
berbeda pada saat menghasilkan elektron. Jika pigmen menyerap energi cahaya, satu
dari tiga hal ini akan terjadi.
Energi hilang sebagai panas. Energi yang bisa dikeluarkan segera sebagai panjang
gelombang yang lebih panjang, sebuah fenomena yang dikenal sebagai fluoresensi.
6
Struktur kloroplas dan membran fotosintetik
Tilakoid adalah unit struktural fotosintesis. Thylakoid seperti tumpukan pengcake
disebut sebagai Grana. Daerah antara grana disebut stroma. Sementara
mitokondria memiliki dua sistem membran, kloroplas memiliki tiga, membentuk
tiga kompartemen.
Gbr. Struktur kloroplas
Tahapan Fotosintesis
Fotosintesis memiliki dua tahap. Tahap pertama adalah proses yang tergantung cahaya
(Reaksi terang), memerlukan energi langsung dari cahaya untuk membuat molekul
pembawa energi yang digunakan dalam proses tahap kedua. Proses yang tidak
tergantung cahaya (reaksi gelap) terjadi ketika produk reaksi cahaya digunakan untuk
membentuk ikatan kovalen CC karbohidrat. Reaksi gelap biasanya dapat berlangsung di
gelap, jika energi carier dari reaksi terang ada. Bukti terbaru menunjukkan bahwa enzim
utama reaksi gelap secara tidak langsung dirangsang oleh cahaya, sehingga istilah
7
reaksi gelap agak keliru. Reaksi terang (cahaya) terjadi di Grana dan rekasi gelap terjadi
di stroma dari kloroplas.
Gbr. Kedua langkah proses fotosintesis
Reaksi Terang|
Dalam proses reaksi terang, cahaya yang sampai ke klorofil sedemikian rupa untuk
merangsang elektron ke keadaan energi yang lebih tinggi. Dalam serangkaian reaksi
energi dikonversi (sepanjang proses transpor elektron) menjadi ATP dan NADPH .
Selama proses ini air diuraikan melepaskan oksigen sebagai produk sampingan dari
reaksi. ATP dan NADPH akan digunakan untuk membentuk karbohidrat dalam reaksi
gelap.
Dalam proses reaksi gelap, karbon dioksida dari atmosfer (atau air / laut organisme
perairan) ditangkap dan dimodifikasi dengan penambahan hidrogen untuk membentuk
karbohidrat (rumus umum dari karbohidrat adalah (CH 2 O) n.
Penggabungan karbon dioksida menjadi senyawa organik yang dikenal sebagai fiksasi
karbon. Energi untuk penggabungan ini berasal dari fase pertama dari proses
fotosintesis (reaksi terang). Sistem kehidupan tidak dapat secara langsung
memanfaatkan energi cahaya, tetapi dapat, melalui serangkaian reaksi yang rumit,
mengubahnya menjadi energi ikatan CC (karbohidrat) yang bisa dilepas melalui glikolisis
dan proses metabolisme lainnya.
Fotosistem adalah pengaturan dari klorofil dan pigmen lainnya yang dikemas dalam
thylakoids. Eukariot memiliki Fotosistem II dan Fotosistem I. Fotosistem I menggunakan
klorofil a, dalam bentuk yang disebut P700. Fotosistem II menggunakan bentuk klorofil
yang dikenal sebagai P680.
8
Kedua bentuk "aktif" klorofil berfungsi dalam fotosintesis karena mereka berassosiasi
dengan protein di membran tilakoid.
Gbr. Aksi sebuah fotosistem
Fotofosforilasi adalah proses konversi energi dari elektron-yang aktif dari cahaya ke
dalam ikatan pirofosfat sebuah molekul ADP. Hal ini terjadi ketika elektron dari air aktif
(excited) dengan cahaya dalam kehadiran P680.
Transfer energi mirip dengan transpor elektron kemiosmotik yang terjadi di mitokondria.
Energi cahaya menyebabkan pemindahan elektron dari molekul P680 yang merupakan
bagian dari Fotosistem II. P680 ini membutuhkan elektron, yang diambil dari molekul air,
memecah air menjadi ion H + dan O -2 ion. Ion ini bergabung untuk membentuk diatomik
O2 yang dilepaskan. elektron "meningkatkan" energi yang lebih tinggi dan bergabung
dengan akseptor elektron primer, yang memulai serangkaian reaksi redoks, melewatkan
elektron melalui serangkaian pembawa elektron, akhirnya bergabung dengan molekul
dalam Fotosistem I. Cahaya bekerja pada sebuah molekul P700 di Fotosistem,
menyebabkan elektron akan "mendorong" untuk energi potensial yang lebih tinggi.
Elektron bergabung dengan elektron akseptor primer yang berbeda (yang merupakan
molekul yang berbeda dari yang terkait dengan Fotosistem II).
Elektron ini dilewatkan kembali melalui serangkaian reaksi redoks, akhirnya melekat ke
NADP + dan H + untuk membentuk NADPH, pembawa energi yang diperlukan dalam
Reaksi terang. Elektron dari Fotosistem II menggantikan elektron yang aktif pada
molekul P700. Ada aliran terus menerus sehingga elektron dari air ke NADPH. Energi ini
digunakan dalam Fiksasi Karbon. Aliran Elektron siklik terjadi di beberapa eukariota dan
bakteri fotosintetik primitif. Tidak ada NADPH yang dihasilkan, hanya ATP. Hal ini terjadi
ketika sel mungkin memerlukan ATP tambahan, atau ketika tidak ada NADP + untuk
direduksi ke NADPH. Dalam Fotosistem II, untuk memompa ion H ke dalam tilakoid dan
konversi ADP + P ke ATP didorong oleh gradien elektron di membran tilakoid.
9
Gbr. Nonsiklik fotofosforilasi (atas) dan siklik fotofosforilasi (bawah)
10
Gbr. Chemiosmosis fosforilasi dalam kloroplas
Reaksi Gelap
Fiksasi karbon juga dikenal sebagai Reaksi gelap (atau reaksi yang tidak tergantung
cahaya)
The Calvin Cycle occurs in the stroma of chloroplasts. Karbon dioksida ditangkap oleh
ribulosa bifosfat (RuBP ).
RuBP adalah dengan 5-C.Enam molekul karbon dioksida memasuki Siklus Calvin,
akhirnya menghasilkan satu molekul glukosa. Reaksi ini temukan oleh Melvin Calvin.
11
Produk pertama yang stabil dari siklus Calvin adalah phosphoglycerate (PGA) , senyawa
kimia 3-C.
Energi dari ATP dan NADPH pembawa energi yang dihasilkan oleh fotosistem
digunakan untuk menyatukan fosfat ke PGA ( memfosforilasi ).
Akhirnya ada 12 molekul fosfat glyceraldehyde (juga dikenal sebagai fosfogliseraldehida
atau PGAL , 3-C), dua di antaranya dikeluarkan dari siklus untuk membuat glukosa .
Sisa molekul PGAL dikonversi dengan energi ATP untuk membentuk kembali 6 molekul
RuBP, dan dengan demikian memulai siklus lagi.
Ingat kompleksitas kehidupan, setiap reaksi dalam proses ini, dikatalisis oleh reaksi
spesifik yang berbeda- enzim .
Siklus Karbon
Tanaman dapat dilihat sebagai karbon sink , mengeluarkan karbon dioksida dari
atmosfer dan samudra dengan memfikasasi menjadi senyawa organik. Tanaman juga
menghasilkan karbon dioksida pada proses respirasi, tetapi karbon dioksida ini dengan
cepat digunakan oleh fotosintesis. Tanaman juga mengubah energi dari cahaya menjadi
energi kimia. Animals are carbon dioxide producers that derive their energy from
carbohydrates and other chemicals produced by plants by the process of
photosynthesis. Hewan adalah produsen karbon dioksida yang mendapatkan energi dari
karbohidrat dan senyawa kimia lainnya yang dihasilkan oleh tanaman melalui proses
fotosintesis.
12
13