Proses Terjadinya Fotosintesis

FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

• Fotosintesis terjadi di kloroplas • Daun pada tanaman merupakan tempat utama terjadinya fotosintesis Leaf cross section Vein

Mesophyll

Stomata

CO2

O2

Light energy

ECOSYSTEM

Energi mengalir ke dalam suatu ekosistem sebagai cahaya matahari dan meninggalkannya dalam bentuk panas

Photosynthesis in chloroplasts Organic CO2 + H2O + O2 Cellular molecules respiration in mitochondria

ATP powers most cellular work

Heat ener gy

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

Light Chloroplast NADP+ ADP +P

Light reactions

RuBP 3-PGA

Calvin cycle

t ec El s

n ro

G3P

Cellular respiration Cellulosse Starch Other organic compounds

Persamaan Fotosintesis • Fotosintesis

6CO2 +6H20 + light → C6H1206 + 6O2

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 yaitu -Reaksi terang -Siklus Calvin

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

Stroma Granum

Thylakoid Thylakoid space

Intermembrane space Inner membrane

1 µm

cahay a

• 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

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 benarbenar 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 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

• Klorofil tereksitasi oleh cahaya • Saat pigmen menyerap cahaya – Klorofil tereksitasi dan menjadi tidak stabil

Energy of election

e–

Excited state

Heat

Photon (fluorescence) Photon

Chlorophyll molecule

Ground state

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 dan II

• Membran tilakoid – Terdapat 2 tipe fotosistem yaitu fotosistem I dan 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

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 Photosystem II complex

Photosystem I

Light

2 H+

NADP+ reductase

Fd

3

NADP+ + 2H+

NADPH + H+ Pq H2 O

THYLAKOID SPACE 1 (High H+ concentration)

Pc 2

1

⁄2 O2 +2 H+

2 H+

To Calvin cycle

STROMA (Low H+ concentration)

Thylakoid membrane

ATP synthase ADP P

ATP 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

NADP+ ADP

LIGHT REACTION

Input 3 (Entering one CO2 at a time)

CALVIN CYCLE

Phase 1: Carbon fixation

ATP

NADPH

O2

Rubisco

[CH2O] (sugar)

3 P

3 P

P

Short-lived intermediate 6

P

Ribulose bisphosphate (RuBP)

P

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).

• 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 3-phosphate dikonversi menjadi RuBP melalui sebuah seri reaksi yang melibatkan fosforilasi molekul oleh ATP

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

• Anatomi daun C4 dan jalur C4 Photosynthetic cells of C4 plant leaf

Mesophyll cell

Mesophyll cell Bundlesheath cell

PEP (3 C) ADP

Oxaloacetate (4 C) Vein (vascular tissue) Malate (4 C)

ATP

C4 leaf anatomy BundleSheath cell

CO CO 2 2

PEP carboxylase

Pyruate (3 C) CO2

Stoma CALVIN CYCLE

Sugar

Vascular tissue

• Tanaman CAM – 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

Mesophyll Cell

C4

Organic acid Bundlesheath cell Spatial (a) separation of steps. In C4 plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in different types of cells.

CALVIN CYCLE

Sugar

CAM

CO2

CO2

1 CO2 incorporatedOrganic acid into four-carbon organic acids (carbon fixation) 2 Organic acids release CO2 to Calvin cycle

CALVIN CYCLE

Sugar

Night

Day

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