FOTOSINTESIS

Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

• 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.

Tempat fotosintesis berlangsung ?

• Fotosintesis terjadi di kloroplas• Daun pada tanaman merupakan tempat utama

terjadinya fotosintesis

Vein

Leaf cross section

Mesophyll

CO2 O2Stomata

• 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

Outermembrane

Intermembranespace

Innermembrane

Thylakoidspace

ThylakoidGranumStroma

1 µm

Pigmen-Substansi yang menyerap cahaya tampak-Menyerap kebanyakan panjang gelombang tetapi paling sedikit menyerap panjang gelombang hijau

PigmenKlorofil aKlorofil bKarotenoid

KaroteneXantofil

Catt:

•Klorofil a = Berwarna hijau tua ( C55 H72 O5 N4 Mg )

•Klorofil b = Berwarna hijau muda ( C55 H70 O6 N4 Mg )

Light energy

ECOSYSTEM

CO2 + H2O

Photosynthesisin chloroplasts

Cellular respirationin mitochondria

Organicmolecules + O2

ATP

powers most cellular work

Heatenergy

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

Persamaan Fotosintesis

• Fotosintesis light

6CO2 +6H20 C6H1206 + 6O2

Proses fotosintesis melibatkan dua tahapan reaksi kimia:

Reaksi TerangIni adalah tahap pertama dari proses fotosintesis. Reaksi-reaksi ini berlangsung di hadapan sinar matahari,dan menggunakan energi cahaya dari matahari untuk menghasilkan molekul ATP dan molekul lainnya yang dikenal sebagai NADPH. Molekul-molekul ini digunakan sebagai sumber energi untuk melakukan reaksi pada tahap berikutnya fotosintesis.

Reaksi Gelap (Siklus Calvin)Pada tahap ini, molekul gula yang mengandung energi disintesis. ATP dan NADPH yang dihasilkan pada tahap I digunakan untuk bahan bakar reaksi dalam tahap ini. Di sini, molekul CO2 dipecah dan diubah menjadi gula dan senyawa lainnya. Calvin Siklus diulangi dua kali dalam rangka untuk menghasilkan satu molekul glukosa.

LightChloroplast

NADP

ADP+ P

RuBP3-PGA

Lightreactions

Calvincycle

Electrons

G3P Cellularrespiration

Cellulosse

Starch

Other organiccompounds

• 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 menghasilkan oksigen.

Reaksi Terang

Reaksi Terang

• Hill (1973)

2H20 2H2 + O2 + energi

light

NADP+

2NADPH2

Electron H

+

ADP

ATP

+ P

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– Efektivitas relatif panjang gelombang yang berbeda

dalam menjalankan fotosintesis

Rate

of p

hoto

synt

hesi

s(m

easu

red

by O

2 rel

ease

)

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

Filamentof 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 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

Excitedstate

Ener

gy o

f ele

ction

Heat

Photon(fluorescence)

Chlorophyllmolecule

GroundstatePhoton

e–

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

Menghasilkan NADPH, ATP, dan oksigen

Nonsiklik

Aliran siklik– Hanya fotosistem I yang digunakan– Hanya ATP yang dihasilkan

Reaksi terang dan kemiosmosis:

Organisasi membran tilakoid

LIGHTREACTOR

NADP+

ADP

ATP

NADPH

CALVINCYCLE

[CH2O] (sugar)STROMA(Low H+ concentration)

Photosystem II

LIGHTH2O CO2

Cytochromecomplex

O2

H2O O21

1⁄2

2

Photosystem ILight

THYLAKOID SPACE(High H+ concentration)

STROMA(Low H+ concentration)

Thylakoidmembrane

ATPsynthase

PqPc

Fd

NADP+

reductase

NADPH + H+

NADP+ + 2H+

ToCalvincycle

ADP

PATP

3

H+

2 H++2 H+

2 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

(G3P)

Input(Entering one

at a time)CO2

3

Rubisco

Short-livedintermediate

3 P P

3 P P

Ribulose bisphosphate(RuBP)

P

3-Phosphoglycerate

P6 P

6

1,3-Bisphoglycerate6 NADPH

6 NADPH+

6 P

P6

Glyceraldehyde-3-phosphate(G3P)

6 ATP

3 ATP

3 ADP CALVINCYCLE

P5

P1G3P

(a sugar)Output

LightH2O CO2

LIGHTREACTION

ATP

NADPH

NADP+

ADP

[CH2O] (sugar)

CALVINCYCLE

O2

6 ADP

Glucose andother organiccompounds

Phase 1: Carbon fixation

Phase 2:Reduction

Phase 3:Regeneration ofthe CO2 acceptor(RuBP)

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). – (RuBP merupakan substrat

untuk pembentukan karbohidrat dalam proses fotosintesis)

• 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 C3Enzim 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 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.

Tanaman C4

• Anatomi daun C4 dan jalur C4

CO2

Mesophyll cell

Bundle-sheathcell

Vein(vascular tissue)

Photosyntheticcells of C4 plantleaf

Stoma

Mesophyllcell

C4 leaf anatomy

PEP carboxylase

Oxaloacetate (4 C) PEP (3 C)

Malate (4 C)

ADP

ATP

Bundle-Sheathcell CO2

Pyruate (3 C)

CALVINCYCLE

Sugar

Vasculartissue

CO2

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

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

(a) Temporal separation of steps. In CAM plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in the same cellsat different times.

(b)

PineappleSugarcane

Bundle-sheath cell

Mesophyll Cell

Organic acid

CALVINCYCLE

Sugar

CO2 CO2

Organic acid

CALVINCYCLE

Sugar

C4 CAM

CO2 incorporatedinto four-carbonorganic acids(carbon fixation)

Night

Day

1

2 Organic acidsrelease CO2 toCalvin cycle