FOTOSINTESIS

FOTOSINTESIS PADA TUMBUHAN Disusun oleh : 1. Endah Wahyu Sulistiyo Rini (4211415004) 2. Farid Wujdi (4211415019) 3. Yuvita Kiki Wulandari (4211416016) JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG TAHUN 2018 BAB I PENDAHULUAN A. TUJUAN a. Untuk memahami mekanisme fotosintesis pada tumbuhan. b. Untuk memahami peran energi cahaya terhadap mekanisme fotosintesis pada tumbuhan. B. RUMUSAN MASALAH a. Bagaimana mekanisme fotosintesis pada tumbuhan ? b. Bagaimana peran energi cahaya pada proses fotosintesis ? C. DASAR TEORI a. Fotosintesis Fotosintesis merupakan proses pembentukan bahan organik (karbohidrat) dengan bantuan sinar matahari. Fotosintesis ini terjadi hanya pada sel-sel yang mempunyai klorofil, yaitu pada bakteri dan tumbuhan. Cahaya matahari merupakan sumber energi utama fotosintesis, dimana dengan bantuan cahaya matahari dapat merubah subtrat karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) dalam reaksi fotosintesis menjadi karbohidrat (C6H12O6) dan oksigen (O2). Tujuan penelitian ini untuk membuktikan bahwa fotosintesis yang berlangsung pada daun memerlukan cahaya matahari dan menghasilkan amilum. Proses fotosintesis hanya dapat berlangsung pada tumbuhan yang berklorofil memiliki bakteri fotosintetik dimana energi matahari dalam bentuk foton ditangkap dan diubah menjadi energi kimia (ATP dan NADPH). Energi kimia tersebut digunakan untuk mengubah air dan karbon dioksida menjadi karbohidrat. Fotosintesis umumnya terjadi di organ tumbuhan yaitu daun. Hal ini dikarenakan pada daun terdapat pigmen klorofil. Cahaya matahari merupakan sumber energi utama pada proses fotosintesis, perannya mengubah substrat karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) dalam reaksi fotosisntesis menjadi karbohidrat (C6H12O6). Bebrapa parameter yang mempengaruhi proses fotosintesis yaitu intensitas, kulaitas, lama penyinaran serta besarnya pantulan. Proses fotosintesis pada tumbuhan akan menghasilkan zat gula yang disebut glukosa. Selanjutnya, sebagian akan menghasilkan amilum yang ditimbun di daun. Jika bagian daun yang terbuka terkena cahaya matahari langsung akan terbentuk amilum dari hasil fotosintesis. Sedangkan daun yang tidak terkena cahaya matahari tidak berlangsung fotosintesis. Manfaat hasil fotosintesis bagi tumbuhan diantaranya sebagian gula digunakan sel-sel tumbuhan sebagai zat makanan, molekulmolekul gula diuraikan untuk melepaskan energi dan sebagian molekul gula dijadikan cadangan makanan. Cahaya matahari terdiri atas beberapa spektrum, masing-masing spektrum mempunyai panjang gelombang berbeda, sehingga pengaruhnya terhadap proses fotosintesis juga berbeda. Terdapat urutan panjang gelombangnya dari panjang ke pendek adalah meliputi sinar merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. Klorofil menyerap semua warna sinar, kecuali sinar hijau yang justru dipantulkan oleh klorofil, sehingga daun tampak berwarna hijau. Warna merah salah satu yang memiliki panjang gelombang yang paling efektif diserap oleh klorofil. Spektrum cahaya merah merupakan spektrum cahaya yang paling efektif untuk digunakan dalam aktivitas fotosintesis tumbuhan perairan. Panjang gelombang cahaya tampak dapat dilihat dalam gambar 1. Gambar 1. Panjang gelombang cahaya tampak b. Tahapan Fotosintesis Fotosintesis membutuhkan air, karbon dioksida, dan sinar matahari untuk membentuk karbohidrat dan oksigen. Air dan mineral diserap dari dalam tanah oleh rambut akar. Setelah sampai di dalam xilem akar, air dan mineral mengalir ke xilem batang xilem daun, dan akhirnya sampai di mesofil daun. Pada tumbuhan dikotil air dan mineral setelah sampai di mesofil daun, akan masuk ke jaringan palisade. Karbon dioksida yang dibutuhkan untuk fotosintesis diperoleh dari udara. Karbon dioksida masuk melalui stomata dan akhirnya masuk ke jaringan mesofil. Proses fotosintesis berlangsung dalam dua tahap, yaitu reaksi terang dan gelap. Kedua tahap tersebut terjadi di kloroplas. Pada tahap reaksi terang energi matahari diserap oleh klorofil untuk diubah menjadi energi kimia. Pada tahap reaksi terang, juga terjadi pemecahan air menjadi ion hidrogen dan oksigen. lon hidrogen diperlukan untuk berikatan dengan karbon dioksida menjadi glukosa. oksigen yang terbentuk, akan dilepaskan ke atmosfer. Reaksi terang terjadi di grana kloroplas. Reaksi terang dapat dilihat pada gambar 2. Gambar 2. Skema fotosintesis pada reaksi terang Pada reaksi gelap, karbon dioksida dan ion hidrogen akan berikatan dengan bantuan energi kimia yang dihasilkan pada reaksi terang, menjadi glukosa. Glukosa akan digunakan untuk membentuk senyawa-senyawa, seperti protein, asam nukleat, lemak, dan karbohidrat struktural, yang berperan penting dalam metabolisme tubuh tumbuhan. Reaksi gelap dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini. Gambar 3. Skema fotosintesis pada reaksi gelap Syarat-syarat agar fotosintesis dapat berlangsung yaitu : Gambar 4. Reaksi fotosintesis 1. Air (H20), diambil dari dalam tanah oleh akar dan diangkut ke daun melalui pembuluh kayu (xilem). 2. Cahaya matahari. 3. Karbon dioksida (CO2), diambil oleh tumbuhan dari udara bebas melalui stomata (mulut daun). 4. Klorofil (zat hijau daun), sebagai penerima energi dari cahaya matahari untuk melangsungkan proses fotosintesis. Proses Fotosintesis dimulai ketika tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas. Klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan. Gambar 5. Penampang tumbuhan BAB II PEMBAHASAN Ada beberapa perbedaan antara reaksi gelap dan reaksi teraang, perbedaan tadi dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini. Tabel 1. Perbandingan antara reaksi gelap dan reaksi terang Reaksi Tempat Terang Grana Melibatkan Cahaya Klorofil ADP Proses • Eksitasi e- • ATP • Fotolisis • NADP.H2 • Fiksasi 1. APG • Transfer e- H2O NADP Gelap Stroma CO2 RuBP / RDP Hasil • Siklus Celvin NADP.H2 • O2 2. ALPG 3. C6H12O6 ATP Fotosistem I e- e- e- Gambar 6. Skema Fotosistem I Transfer electron siklik = Fotosistem I, klorofil yang mengabsorbsi cahaya matahari akan melemparkan elektronnya keluar (electron terekstasi seperti efek fotolistrik). Elektron yang tereksitsasi akan mentransfer energi matahari electron tersebut akan membebaskan energi sedikit demi sedikit dengan cara electron itu berpindah dari akseptor satu ke akseptor lain. Energi yang dilepas akan ditangkap oleh ADP untuk berubah menjadi ATP yang kaya akan energi. Electron yang sudah tidak berenergi lagi akan akan memasuki klorofil lagi dan klorofil menjadi netral kembali, Transfer Elektron Non Siklik Klorofil yang mengabsorbsi cahaya akan melemparkan elektronnya dan menjadi netral kembali dengan mendapat electron yang berasal air. − − → + → +4 + − − mentransfer energi matahari lalu memindhkan pada ATP. − yang sudah tidak berenergi lagi akan memasuki klorofil yang kehilangan elektronnya dan menetralkannya lagi. Gambar 7. Skema perjalanan electron non siklik selama reaksi terang Hidrogen yang dibebaskan digunakan secara tidak langsung dalam pembentukan ATP, energi yang dibebaskan saat peristiwa transport electron dari P660 ke P700 digunakan secara tidak langsung dalam pembentukan ATP. + → + � + → � 2 elektron negative dari klorofil akan menetralkan � + → � � Fiksasi ��� Untuk fiksasi digunakan untuk mereduksi pada proses fiksasi . memerlukan energi, energi itu berasal dari ATP dan NADPH2 yang terbentuk waktu reaksi cahaya. setelah energi terlepas ATP berubah menjadi ADP kembali dan NADPH2 menjadi NADP lagi. Reaksi Fiksasi : +� �+ �� → � → → � ℎ ℎ �� � � � + �� → �� + � + (Polimerisasi) +� Gambar 8. Siklus Celvin Reaksi Gelap Reaksi gelap adalah reaksi kimia yang mengubah karbon dioksida dan senyawa lainnya menjadi glukosa. Reaksi ini terjadi di stroma, daerah berisi cairan dari kloroplas di luar membran tilakoid. Reaksi-reaksi ini mengambil produk (ATP dan NADPH) dari reaksi terang dan melakukan proses kimia lebih lanjut =. Ada tiga tahap untuk reaksi gelap, secara kolektif disebut siklus Calvin : fiksasi karbon, reaksi reduksi, dan regenerasi ribulosa 1,5-bifosfat (RuBP). Reaksi gelap ini erat digabungkan pada rantai transpor elektron tilakoid sebagai pengurang daya yang disediakan oleh NADPH yang dihasilkan dalam fotosistem I. Proses fotorespirasi, juga dikenal sebagai siklus C2, juga terkait dengan reaksi gelap, karena hasil dari reaksi alternatif enzim Rubisco, dan produk sampingan akhir juga merupakan gliseraldehida-3-P. Gambar 9. Siklus Calvin dan Fiksasi Karbon. (Image: Mike Jones) Siklus Calvin, siklus Calvin-Benson-Bassham (CBB), siklus pentosa fosfat reduktif atau siklus C3 adalah serangkaian reaksi redoks biokimia yang terjadi di stroma dari kloroplas dalam organisme fotosintetik. Proses ini juga dikenal sebagai reaksi gelap. Fotosintesis terjadi pada dua tahap di dalam sel. Pada tahap pertama, reaksi terang menangkap energi cahaya dan menggunakannya untuk membuat simpanan energi dan mentransportasi molekul ATP dan NADPH. Siklus Calvin menggunakan energi dari pembawa elektron tereksitasi berumur pendek untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi senyawa organik, yang dapat digunakan oleh organisme (dan oleh binatang yang memakan itu). Set reaksi ini juga disebut fiksasi karbon. Enzim kunci dari siklus ini disebut RuBisCO. Dalam persamaan biokimia berikut, spesies kimia (fosfat dan asam karboksilat) ada pada kesetimbangan antara berbagai keadaan terionisasi sebagaimana diatur oleh pH (keasaman). Enzim-enzim dalam siklus Calvin secara fungsional setara dengan sebagian besar enzim yang digunakan dalam jalur metabolisme lain seperti glukoneogenesis dan jalur fosfat pentosa, tetapi mereka dapat ditemukan dalam stroma kloroplas bukan sitoplasma sel, untuk memisahkan reaksi. Enzim-enzim ini diaktifkan di dalam keadaan terang (oleh karena itu nama "reaksi gelap" sebenarnya menyesatkan) dan juga dengan produk-produk dari reaksi terang. Fungsi regulasi ini mencegah siklus Calvin terespirasi menjadi karbon dioksida. Energi (dalam bentuk ATP) akan siasia melakukan reaksi ini yang tidak memiliki produktivitas bersih. Jumlah reaksi dalam siklus Calvin adalah sebagai berikut : 3 CO2 + 6 NADPH + 5 H2O + 9 ATP → glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) + 2 H+ + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi (Pi = inorganic phosphate) Gula heksosa (enam karbon) bukan merupakan produk dari siklus Calvin. Meskipun banyak teks menggunakan produk fotosintesis sebagai C6H12O6, hal ini terutama untuk kenyamanan melawan persamaan respirasi, di mana gula enam karbon dioksidasi di mitokondria. Produk karbohidrat dari siklus Calvin adalah molekul gula fosfat tiga karbon, atau "fosfat triose," yaitu, gliseraldehida-3-fosfat (G3P). Urutan Siklus Calvin Pada tahap pertama dari siklus Calvin, molekul CO2 dimasukkan ke dalam salah satu dari dua molekul tiga karbon (gliseraldehida 3-fosfat atau G3P), di mana CO2 menggunakan dua molekul ATP dan dua molekul NADPH, yang telah diproduksi di tahap reaksi terang. Tiga langkah yang terlibat adalah :. • Enzim RuBisCO mengkatalisis karboksilasi dari ribulosa-1,5-bifosfat, RuBP, senyawa 5-karbon, dengan karbon dioksida (total 6 karbon) dalam reaksi dua langkah. Produk dari langkah pertama adalah kompleks enediolenzim yang dapat menangkap CO2 atau O2. Dengan demikian, kompleks enediol-enzim adalah karboksilase / oksigenase sesungguhnya. CO2 yang ditangkap oleh enediol pada langkah kedua pada awalnya menghasilkan enam-karbon intermediate yang segera terbagi dua, membentuk dua molekul 3-fosfogliserat, atau 3-PGA, senyawa 3-karbon (juga: 3-fosfogliserat asam, PGA, 3PGA). Gambar 10. Siklus Calvin tahap 1 (lingkaran hitam mewakili atom karbon) • (Image: Peter coxhead) Enzim fosfogliserat kinase mengkatalisis fosforilasi dari 3-PGA oleh ATP (yang diproduksi dalam tahap reaksi terang). 1,3-bisphosphoglycerate (1,3BPGA, glycerate-1,3-bifosfat) dan ADP adalah produk yang dihasilkan. Namun, perlu diketahui bahwa dua 3-PGA diproduksi untuk setiap CO2 yang masuk siklus, sehingga langkah ini menggunakan dua ATP • per CO2. Enzim gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase mengkatalisis reduksi 1,3BPGA oleh NADPH (yang merupakan produk lain dari reakdi terang). Gliseraldehida 3-fosfat (juga disebut G3P, GP, TP, PGAL, GAP) diproduksi, dan NADPH sendiri teroksidasi dan menjadi NADP+. Sekali lagi, dua NADPH yang digunakan per CO2. Gambar 11. Siklus Calvin gabungan tahap 2 dan 3. (Image: Peter coxhead) Regenerasi RuBP Regenerasi RuBP Tahap siklus Calvin berikutnya adalah untuk regenerasi RuBP. Lima molekul G3P menghasilkan tiga molekul RuBP, menggunakan tiga molekul ATP. Karena setiap molekul CO2 menghasilkan dua molekul G3P, tiga molekul CO2 menghasilkan enam molekul G3P, yang lima digunakan untuk regenerasi RuBP, meninggalkan keuntungan bersih dari satu molekul G3P per tiga molekul CO2 (seperti yang diharapkan dari jumlah atom karbon yang terlibat). Gambar 12. Tahap regenerasi Siklus Calvin. (Image: Peter coxhead) Tahap regenerasi dapat dipecah menjadi beberapa langkah-langkah berikut : 1. Isomerase fosfat triose mengkonversi semua G3P reversibel menjadi dihidroksiaseton fosfat (DHAP), juga satu molekul 3-karbon. 2. Aldolase and fructose-1,6-bisphosphatase convert a G3P and a DHAP into fructose 6-phosphate (6C). A phosphate ion is lost into solution. 3. Aldolase dan fruktosa-1,6-bisfosfatase mengkonversi G3P dan DHAP menjadi fruktosa 6-fosfat (6C). Ion fosfat hilang ke dalam larutan. 4. Kemudian fiksasi CO2 lainnya menghasilkan dua G3P. 5. F6P memiliki dua karbon yang dihilangkan oleh transketolase, memberikan erythrose-4-fosfat. Dua karbon pada transketolase ditambahkan ke G3P, memberikan ketose xylulose-5-fosfat (Xu5P). 6. E4P dan DHAP (terbentuk dari salah satu G3P dari fiksasi CO2 kedua) diubah menjadi sedoheptulose-1,7-bifosfat (7C) oleh enzim aldolase. 7. Sedoheptulose-1,7-bisfosfatase (salah satu dari tiga enzim dari siklus Calvin yang unik untuk tanaman) memotong sedoheptulose-1,7-bifosfat menjadi sedoheptulose-7-fosfat, melepaskan ion fosfat anorganik ke dalam larutan. 8. Fiksasi CO2 ketiga menghasilkan dua G3P. Ketose S7P memiliki dua karbon yang dihilangkan oleh transketolase, memberikan ribosa-5-fosfat (R5P), dan dua karbon yang tersisa di transketolase ditransfer ke salah satu G3P, memberikan Xu5P lainnya. Hal ini membuat salah satu G3P sebagai produk dari fiksasi 3 CO2, dengan generasi tiga pentosa yang dapat dikonversi ke Ru5P. 9. R5P diubah menjadi ribulosa-5-fosfat (Ru5P, RUP) oleh isomerase phosphopentose. Xu5P diubah menjadi RUP oleh epimerase phosphopentose. 10. Akhirnya, phosphoribulokinase (enzim tanaman unik lainnya) memfosforilasi RUP menjadi RuBP, ribulosa-1,5-bifosfat, menyelesaikan siklus Calvin. Ini membutuhkan masukan dari satu ATP. Dengan demikian, enam G3P diproduksi, lima digunakan untuk membuat tiga molekul RuBP (5C) (total 15 karbon), dengan hanya satu G3P yang tersedia untuk konversi menjadi heksosa. Hal ini membutuhkan sembilan molekul ATP dan enam molekul NADPH per tiga molekul CO2. Persamaan dari siklus Calvin keseluruhan ditunjukkan gambar di bawah ini. Gambar 13. Persamaan keseluruhan siklus Calvin (lingkaran hitam mewakili atom karbon). (Image: Peter coxhead) RuBisCO juga bereaksi secara kompetitif dengan O2, bukan CO2, di fotorespirasi. Tingkat fotorespirasi lebih tinggi pada suhu tinggi. Fotorespirasi mengubah RuBP menjadi 3-PGA dan 2-phosphoglycolate, molekul 2-karbon yang dapat dikonversi melalui glikolat dan glyoxalate menjadi glisin. Melalui sistem pembelahan glisin dan tetrahydrofolate, dua glisin diubah menjadi serin + CO2. Serin dapat dikonversi kembali ke 3-fosfogliserat. Dengan demikian, hanya 3 dari 4 karbon dari dua phosphoglycolates dapat dikonversi kembali ke 3-PGA. Hal ini dapat dilihat bahwa fotorespirasi memiliki konsekuensi yang sangat negatif bagi tanaman, karena, bukannya memperbaiki CO2, proses ini menyebabkan hilangnya CO2. C4 fiksasi karbon berevolusi untuk menghindari fotorespirasi, tetapi hanya dapat terjadi pada tanaman tertentu yang tumbuh di daerah hangat atau tropis, jagung, misalnya. BAB III PENUTUP KESIMPULAN