BIOLOGI UMUM SEMESTER GASAL 2014/2015 PRODI PENDIDIKAN FISIKA
OLEH TIM LAYANAN BIOLOGI
SUB POKOK BAHASAN: Mekanisme transpor pada tumbuhan •Gambaran umum mekanisme transpor pada tumbuhan •Penyerapan air dan mineral oleh akar •Transpor getah xilem •Translokasi getah floem
2
Gambaran UmumMekanisme Transpor pada Tumbuhan Transpor pada tumbuhan terjadi pada tiga tingkatan, yaitu: 1.Pengambilan dan pembebasan air dan zat-zat terlarut pada tingkat sel, seperti penyerapan air dan mineral dari tanah oleh sel-sel akar; 2.Transpor bahan-bahan jarak pendek dari sel ke sel pada tingkat jaringan dan organ, seperti pengangkutan gula dari sel-sel fotosintetik di daun yang telah dewasa ke dalam pembuluh tapis floem; 3.Transpor jarak jauh cairan di dalam xilem dan floem pada seluruh tingkatan tumbuhan tsb. secara utuh. 3
4 daun juga menukarkan gas-gas melalui stomata dengan mengambil CO2 CO 2
yang menyediakan H2O karbon untuk fotosintesis dan mengeluarkan O2 3 transpirasi, evaporasi air dari daun (kebanyakan melalui stomata), menciptakan suatu tenaga dalam daun yang menarik getah xilem ke atas 2 akar dan mineral-mineral ditranspor ke atas sebagai getah HO xilem dalam xilem 2 mineral . 1 akar menyerap air dan mineral-mineral terlarut dari tanah
O2
gula
cahaya 5 gula dihasilkan melalui fotosintesis pada daun 6 gula tsb. ditranspor dalam floem kebentuk bahan terlarut yang disebut getah floem ke akar dan bagian-bagian lain tubuh tumbuhan 7 akar juga O2 menukarkan gasgas yang ada dlm CO2 rongga udara tanah dgn mengambil O2,
membebaskan CO2 . Pertukaran gas ini menunjang repirasi selular dari sel-sel akar. 4
Mekanisme transpor di tingkat sel Terjadi pada membran plasma Fungsi membran plasma sebagai tempat keluar masuknya ion, molekul, serta senyawa dari atau ke dalam sel dengan menggunakan suatu proses tertentu. Keadaan ini sangat bergantung pada permeabilitas selektif membran. Permeabilitas membran ada tiga, yaitu: 1. impermeabel (tidak permeabel), sifat membran yang tidak dapat dilewati oleh zat-zat, 2. permeabel, sifat membran yang dapat dilewati zat-zat, 3. semipermeabel, sifat membran yang hanya dapat dilalui oleh zat-zat tertentu.
5
Terdiri dari: transpor pasif dan transpor aktif 1. Pasif Absorpsi air dan zat terlarut tanpa memerlukan tenaga hasil metabolisme, karena terjadi secara alamiah dengan adanya perbedaan/gradien konsentrasi. Contoh: difusi dan osmosis. 2. Aktif Dibantu pompa proton yang menggerakkan substansi dari konsentrasi rendah ke konsentrasi tinggi. Sel harus mengeluarkan E metabolis, umumnya dalam bentuk ATP. Contoh: transpor protein.
6
Perbandingan antara transpor pasif dan transpor aktif
7
ad. 1 Transpor pasif Terdapat 5 mekanisme utama yang menggerakkan air dan zat terlarut dari suatu tempat ke tempat lain, yaitu: a.Difusi: proses perpindahan suatu zat dari tempat dengan konsentrasi tinggi (hipertonis) ke tempat dengan konsentrasi yang lebih rendah (hipotonis), melalui suatu membran permeabilitas tertentu. Kebanyakan zat terlarut berdifusi sangat lambat ketika melewati suatu membran, kecuali zat tsb. dapat melewati protein-protein transpor yang tertanam di dalam membran. 8
Protein ini mempermudah difusi dengan cara mengikatkan diri secara selektif ke suatu zat terlarut pada salah satu sisi membran dan membebaskan zat tsb. pada sisi membran yang berlawanan. Contoh: pertukaran udara dan masuknya air melalui stomata, bila setetes tinta hitam dimasukkan ke dalam gelas yang berisi air maka warna hitam akan menyebar ke seluruh penjuru dan akhirnya warna hitamu merata ke seluruh air dalam gelas..
9
Gambar Difusi CO2, O2, H2O
10
b. Osmosis: proses berpindahnya suatu zat dari konsentrasi yang lebih rendah ke tempat yang konsentrasinya lebih tinggi melalui membran semipermeabel terhenti setelah mencapai kesetimbangan. Contoh: masuknya larutan ke dalam sel-sel endodermis. c. Tekanan kapiler: tekanan yang menarik air sehingga air bergerak ke atas sebagai akibat dari adhesi antara dinding xilem dengan molekul air.
11
d. Tekanan hidrostatik/tekanan turgor: tekanan terhadap dinding sel (melawan aliran air) akibat masuknya air ke dalam sel. Tekanan ini dihasilkan pada salah satu ujung pembuluh floem mendorong getah ke ujung yang berlawanan. Contoh: transpirasi pada daun akan mengurangi tekanan pada xilem di daun menghasilkan suatu tegangan yang menarik getah xilem dari akar ke atas. e. Gravitasi
12
13
ad. 2 Transpor aktif Penyerapan ion-ion adalah paling sulit, karena permeabilitas membran terhadap ion adalah paling rendah. Karena itu untuk menyerapnya dibutuhkan tenaga (aktif). Salah satu transporter aktif yang penting dalam sel tumbuhan, yaitu pompa proton yang menghidrolisis ATP dan menggunakan energi (E) yang dibebaskan dari proses ini untuk memompa H+ keluar dari sel. Proses ini menghasilkan gradien konsentrasi proton (merupakan bentuk E yang tersimpan), mengingat konsentrasi H+ di luar sel lebih besar daripada di dalam sel. 14
Cairan ekstraselular Pompa proton menghasilkan potensil membran dan gradien (H+)
Gambar Pompa proton
15
Selain itu pompa proton juga menghasilkan potensial membran dimana bagian dalam sel tumbuhan menjadi lebih negatif dibandingkan bagian luar. E yang tersimpan dalam gradien proton dan potensial membran pada tumbuhan digunakan untuk menggerakkan transpor zat-zat terlarut yang berbeda, seperti: penyerapan K+ dari larutan tanah oleh sel akar, dimana potensial membran membantu pergerakan K+ yang bermuatan positif ke dalam sel yang bermuatan negatif..
16
Kation (K+) digerakkan ke dalam sel melalui potensial membran
Gambar Pengambilan kation
17
Masuknya mineral bermuatan negatif (NO3-) melalui pembawa yang memudahkan H+ masuk ke dalam sel mekanisme ini disebut kotranspor.
Gambar Pengambilan anion
Sel akan mengakumulasi anion (NO3-) dengan cara memasangkan transpornya dengan difusi ke dalam H+ melalui suatu kotransporter 18
Pengambilan gula sukrosa oleh sel tumbuhan dengan cara mengkotranspor gula dengan H+ yang berpindah menuruni gradiennya melalui protein tsb. Sel-sel tumbuhan dapat juga mengakumulasi zat terlarut netral, seperti sukrosa dengan cara mengkostranspor H+ menuruni gradien proton yang tinggi.
Gambar Transpor zat terlarut netral 19
Pengangkutan air dan garam-garam pada tumbuhan berlangsung melalui dua cara, yakni : 1.di luar pembuluh angkut (ekstravaskuler): dari sel ke sel dan biasanya dengan arah horisontal: epidermis bulu-bulu akar korteks endodermis xilem sistem tunas. 2. di dalam pembuluh angkut (intravaskuler): dalam xilem dan floem secara vertikal: air dan mineral dalam tanah masuk melalui buluh akar epidermis korteks endodermis perisikel dan akhirnya masuk ke xilem dibawa naik ke seluruh tubuh termasuk ke daun. 20
Pengangkutan ekstravasikuler (a) Kompartemen sel
(b) Rute transpor lateral
Kompartemen jaringan simplas
apoplas
Gambar Kompartemen sel-sel dan jaringan tumbuhan (a) Dinding sel, sitosol dan vakuola tiga kompartemen (ruangan) pada sebagian besar sel tumbuhan yang telah dewasa. Protein transpor yang terbenam dalam membran plasma dan tonoplasma mengatur lalu lintas molekul di antara ketiga kompartemen tsb. 21
(b) Pada tingkat jaringan dua kompartemen (simplas dan apoplas). Simplas: kontinum sitosol yang didasarkan pada plasmodesmata saluran yang menghubungkan protoplas melalui dinding (pengangkutan melalui bagian yang hidup dari sel). Apoplas: rangkaian dinding sel dan ekstraseluler (melalui bagian yang tidak hidup dari sel). Anatomi ini memberi tiga rute untuk transpor lateral dalam jaringan atau organ tumbuhan: rute transmembran: air dan zat terlarut bergerak menembus suatu organ melalui penembusan membran plasma dan dinding sel secara berulang di sepanjang lintasan tsb. 22
- rute simplastik: zat-zat yang telah memasuki satu sel bergerak melewati suatu organ melalui rangkaian sitolitik. Struktur plasmodesmata yang kompleks mungkin mengatur transpor melalui simplas, bahkan memperbolehkan aliran protein tertentu dan molekul besar lainnya antar sel. - rute apoplastik: air dan zat terlarut berjalan melewati jaringan atau organ melalui dinding sel dan ruangan ekstraseluler.
23
Gambar Rute transpor lateral mineral dan air dalam akar 24
1.Pengambilan larutan tanah oleh dinding hidrofilik epidermis memberikan jalan masuk ke apoplas (jalur ekstrasel), hingga air dan mineral dapat memasuki korteks di sepanjang matriks dinding sel. Mineral dan air yang melewati membran plasma rambut-rambut akar memasuki simplas (jalur intrasel). 2.Saat larutan tanah bergerak di sepanjang apoplas, air dan mineral juga diangkut ke dalam sel epidermis dan korteks untuk kemudian masuk ke dalam melalui simplas. 3.Air dan mineral yang bergerak ke endodermis di sepanjang dinding sel tidak dapat masuk ke dalam stele melalui jalur apoplas, karena di dalam dinding masingmasing sel endodermal terdapat pita Caspary (suatu daerah penghalang yang mengandung bahan berlilin yang 25 menghambat aliran air dan mineral yang terlarut).
Hanya mineral yang sebelumnya telah berada dalam simplas atau yang memasuki lintasan melalui penembusan membran plasma sel endodermis yang dapat bergerak mengelilingi pita Caspary dan terus masuk ke dalam stele. Dengan demikian, transpor mineral ke dalam stele adalah selektif; hanya mineral yang diterima ke dalam sel oleh membran yang memperoleh jalan masuk ke dalam jaringan pembuluh. 4. Sel endodermis dan sel-sel parenkim di dalam stele melepaskan air dan mineral ke dalam dindingnya, yang bersambungan dengan pembuluh xilem sebagai bagian dari apoplas. Air dan mineral yang diserap dari tanah sekarang siap diangkut ke atas menuju sistem tunas. 26
Pengangkutan intravaskuler 1. Transpor getah xilem
a. Pendorongan getah xilem: tekanan akar Pada malam hari, ketika transpirasi sangat rendah atau bahkan nol, sel-sel akar masih tetap menggunakan energi untuk memompa ion-ion mineral ke dalam xilem. Endodermis yang mengelilingi stele membantu mencegah ion-ion keluar dari stele. Akumulasi mineral di dalam stele akan menurunkan potensial air air akan mengalir ke korteks akar, menghasilkan suatu tekanan positif yang memaksa cairan naik ke xilem. 27
Contoh: Peristiwa gutasi (pada tumbuhan tertentu)
Gambar Gutasi pada daun strawberry (Fresa sp.)
Juga ketika kita memotong batang tanaman pisang kemudian bagian tengahnya dibuat lekukan. Setelah satu hari maka akan terlihat air keluar dari permukaan potongan ada tekanan yang mendorong air ke atas tekanan akar.
28
Walau demikian, bagi sebagian besar tumbuhan, tekanan akar bukanlah mekanisme utama yang mendorong naiknya getah xilem. Tekanan akar hanya dapat memaksa air naik beberapa meter saja bahkan pada banyak tumbuhan (termasuk pohon-pohon yang tinggi) tidak dapat menghasilkan tekanan akar. Demikian pula tumbuhan kecil yang memperlihatkan gutasi, tekanan akar tidak dapat mengikuti kecepatan transpirasi setelah matahari terbit. Sebagian besar tumbuhan, getah xilem tidak didorong dari bawah oleh tekanan akar tetapi ditarik ke atas oleh daun. 29
b. Penarikan getah xilem: kohesi dan adhesi, serta transpirasi Mekanisme transpor air adalah melalui proses penarikan air karena transpirasi. Proses transpirasi terjadi berdasarkan sifat-sifat fisik air, yaitu: - molekul air melakukan tarik-menarik dengan molekul air lainnya melalui proses kohesi. -
molekul air dapat melakukan tarik -menarik dengan dinding xilem melalui proses adhesi. 30
c. Penarikan getah xilem: mekanisme transpirasi-kohesi-tegangan - Transpirasi akan menyediakan tarikannya - Kohesi air akibat pengikatan H akan memberi tarikan ke atas di sepanjang seluruh xilem hingga ke akar.
31
a. Tarikan transpirasi (transpirational pull) Pada daun transpirasi dapat terjadi melalui stomata
32
b. Kohesi dan adhesi air Tarikan transpirasi pada cairan xilem dihantarkan secara menyeluruh dari daun ke ujung akar bahkan ke dalam larutan tanah. Proses transpirasi terjadi berdasarkan sifat-sifat fisik air, yaitu: - molekul air melakukan tarik-menarik dengan molekul air lainnya melalui proses kohesi. - molekul air dapat melakukan tarik-menarik dengan dinding xilem melalui proses adhesi.
33
Bagaimana air dan zat-zat terlarut dapat naik dari akar ke daun? 1.Gaya tekan akar (telah dijelaskan) 2.Daya kapilaritas: pempuluh-pembuluh kayu di akar, batang dan daun merupakan pipa-pipa sangat kecil yang saling berhubungan membentuk pipa kapiler. Pipa kapiler yang berdiameter 10 mikron, dapat menaikkan air sampai setingga 3meter. Hal ini menyebabkan air naik dalam pembuluh kayu dari akarsampai ke daun. Bagi tumbuhan yang sangat tinggi, daya kapilaritas saja tidak cukup untuk menaikkan air sampai ke daun. 34
c. Daya isap daun: terjadi akibat penguapan air di permukaan daun menyebabkan air dalam saluran ikatan pembuluh naik ke daun. Besarnya penguapan air tergantung pada luas permukaan daun. Makin luas permukaan daun makin besar daya isap daun. d. Pengaruh sel-sel yang hidup: pembuluh-pembuluh kayu tersusun dari sel-sel yang mati dengan sekat di antara sel-sel telah lenyap sehingga merupakan pembuluh untuk jalan air dari akar ke ujung batang.
35
Peranan kohesi dan adhesi dalam kenaikan getah xilem
36
2. Translokasi getah floem Proses pengangkutan makanan yang dihasilkan melalui fotosintesis ke seluruh bagian tubuh tumbuhan disebut translokasi. Komposisi getah floem: gula terutama sukrosa (bisa mencapai 30% dari bobotnya), mineral, AA dan hormon, yang dipindahkan dari satu bagian tanaman ke bagian tanaman lain. Floem mentranslokasikan getahnya dari sumber gula (sugar source) ke sugar sink (organ yang mengkonsumsi atau menyimpan gula: akar, ujung tunas, batang, buah yang sedang tumbuh,). 37
Organ penyimpanan seperti umbi, dapat menjadi tempat penumpukan gula bergantung pada musim: ketika organ ini menumpuk karbohidrat selama musim panas sugar sink dan sebaliknya.
Translokasi fotosintat Penyaluran fotosintat terjadi dari sel penghasil (sugar source) ke sel gudang (sugar sink) Teori: aliran tekanan/massa gula dialirkan dari lokasi dengan konsntrasi tinggi ke konsentrasi rendah.
38
Mekanisme
konsentrasi gula tinggi tekanan air tinggi
Gula dimuat ke dalam floem secara sumber transpor aktif; Air masuk ke dalam gula floem secara osmosis; Gula dialirkan dari sugar source ke sugar sink Air melalui proses konsentrasi osmosis kembali ke gula tinggi xilem. tekanan air rendah
floem
xilem gula air sel penghasil
sel gudang gula air
39
Pustaka acuan A. Suyitno. 2006. Penyerapan zat dan transportasi pada tumbuhan. Materi disampaikan pada kegiatan pendalaman materi siswi-siswi SMAN 5, Yogyakarta, 06-02- 2006 di SMAN 5 Yogyakarta. Yogyakarta. Campbell N. A., J. B. Reece, L. C. Mitchell. 2003. Biologi Edisi Kelima Jilid II. Alih Bahasa: W. Manalu. A. Safitri, L. Simarmata, H. W. Hardani (Eds.). Dialihbahasakan dari: Biology, Fifth Edition. Erlangga. Jakarta. Hidayati D. N. Mekanisme transpor pada sel. 40
