TOPIK 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN TIK : Setelah mengikuti kuliah ini, anda dapat menjelaskan Fotosintesis dan energi kehidupan. Pengantar Ilmu Pertanian
1
Energi Energi Surya / Energi Elektromagnetik Energi Mekanik Energi Panas Matahari Energi Geotermal / Panas Bumi Energi Gravitasi Energi Nuklir
Pengantar Ilmu Pertanian
2
Energi Sintesis Kimia Tidak semua makhluk hidup mendapatkan energi dari fotosintesis sintesis kimia Bakteri nitrit var. nitrosamine mengubah amoniak menjadi nitrit selanjutnya nitrat dan mendapatkan energi nitrifikasi 2NH3 + 3O2
2HNO2 + 2H2O + + 158 kcal
2HNO2 + O2
2HNO3 + 36 kcal
Bakteri pengoksid belerang mendapat energi dari: 2H2S + O2
S2 + 2H2 + energi
Bakteri pengoksid besi mendapat energi dari: 4Fe++ + 4H+ + O2
4Fe+++ + 2H2O + energi
kemo-ototrofik Pengantar Ilmu Pertanian
3
⌦ Pentingnya fotosintesis bagi makhluk hidup adalah : - Mengikat energi surya mjd energi dlm bentuk bahan kimia kaya energi sbg sumber makanan - Menyegarkan udara dg menghasilkan oksigen ⌦ Hal-hal yg mengakibatkan proses perubahan karbondioksida mjd oksigen menurun antara lain : - Menurunnya potensi tumbuhan di dunia - Meningkatnya kadar CO2 di bumi akibat pembakaran - Green house effect, suhu bumi meningkat ⌦ Fotosintesis berpusat pada kloroplast (ditemukan oleh Julius van Sachs, 1865) ⌦ Bagian dalam kloroplast disekat dinding lamella, yg memisahkan zat dlm kloroplast yg disebut stroma
Fotosintesis Tumbuhan Hijau Penghasil utama energi kimia melalui sinar surya adalah tumbuhan hijau 6CO2 + 6H2O
-
Energi surya/ klorofil
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Setiap tahun tumbuhan hijau menghasilkan 400 000 jt ton O2, mengikat 150 000 jt ton CO2 dan 25 000 jt ton H2O Peningkatan kadar karbondioksida di lapisan atmosfir akan menghambat pengembalian energi panas dari bumi dan akan meningkatkan suhu atmosfir bumi greenhouse effect Julius von Sachs (1865): proses fotosintesis terjadi dalam zarah kecil dalam tumbuhan yang berwarna hijau (kloroplast) Pengantar Ilmu Pertanian
5
Langkah dalam fotosintesis : Reaksi terang di lamella Reaksi gelap di stroma
H 2O
Energi surya
Reaksi terang
CO2 ADP ATP NADPH + H+
Reaksi gelap
KH berenergi
NADP O2
Denah proses fotosintesis
H 2O
Dr. Melvin Calvin (1961 menerima nobel) menjelaskan daur pembentukan karbohidrat Daur Calvin Bakteri merah membuat fotosintesis dengan mengikat H2S 6CO2 + 12H2S
fotoototrofik
-
Energi surya
C6H12O6 + 12S + 6H2O
Pengantar Ilmu Pertanian
6
CAKUPAN MATERI • Peran Fotosintesis • Sejarah Fotosintesis • Tempat terjadinya Fotosintesis • Reaksi-reksi Fotosintesis • Reaksi Terang • Reaksi Gelap • Tumbuhan C3, C4 dan CAM • Fotosintesis dan Pemanasan Global Pengantar Ilmu Pertanian
7
Matahari
Pemanenan enargi surya Oksigen
Energi Kimia
Bahan organik Obat Makanan Pakaian Kosmetik
Perumahan
dll.
Bahan bakar Pengantar Ilmu Pertanian
8
Sejarah Fotosintesis
Pengantar Ilmu Pertanian
9
Percobaan awal Fotosintesis: Priestley (1770-an) Ingenhousz (1780-an) Priestly: Batang dan daun mint dapat membersihkan udara yang telah dikotori oleh nyala lilin
Ingenhousz: Fotosintesis memerlukan cahaya Pengantar Ilmu Pertanian
10
Fotosintesis Fotosintesis melibatkan tumbuh-tumbuhan yang ada di darat, perairan air tawar maupun lautan
Pengantar Ilmu Pertanian
11
Pada tumbuhan tinggi Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas
Stroma Tilakoid Granum Ruang antar membran Membran dalam Membran luar
Potongan melintang daun jagung
Model struktur kloroplas Pengantar Ilmu Pertanian
12
Fotosintesis: proses oksidasi reduksi
Cahaya Matahari
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6O2 Reduksi Oksidasi
Pengantar Ilmu Pertanian
13
Fotosintesis menghasilkan gas oksigen dari pemecahan air
6CO2* + 12H2O
C6H12O6 + 6H2O + 6O2
6CO2 + 12H2O*
C6H12O6 + 6H2O +6O2* 6CO2
6H2O*
Penggunaan oksigen berlabel O2 berasal dari H2O
C6H12O6
6H2O
Pengantar Ilmu Pertanian
6O2* 14
Cahaya
Reaksi terang Reaksi terang (Dalam Grana)
H2O O2
Fotosintesis
ATP
NADP H
ADP+Pi
NADP+
CO2
Reaksi gelap Reaksi Gelap (dalam stroma)
Gula Pengantar Ilmu Pertanian
15
Reaksi terang Prosesnya digerakkan oleh cahaya ATP Cahaya matahari
Klorofil
dan NADPH
Energi CAHAYA
Energi KIMIA
Reaksi terjadi di dalam grana khususnya pada membran tilakoid kloroplas Pengantar Ilmu Pertanian
16
Cahaya matahari: gelombang elektromagnetik
sinar Gamma
infra merah
UV
sinar X
Gelombang mikro
Gelombang radio
Cahaya Tampak 380
450
500
550
600
650
700
750 nm
Peningkatan λ Peningkatan Energi Pengantar Ilmu Pertanian
17
Spektrum cahaya merah dan biru adalah yang efektif diserap oleh pigmen tumbuhan dalam proses fotosintesis, cahaya hijau sebagian besar dipantulkan daun berwarna hijau Laju Fotosintesis
Panjang gelombang efektif untuk fotosintesis
Absorbsi cahaya oleh klorofil a
400
500
600
700
Panjang Gelombang (nm) Pengantar Ilmu Pertanian
18
Konsep dasar reaksi terang
Bagian dalam tilakoid
H+ NADP reduktase
Kompleks sitokrom Sistem cahaya II (PSII)
+ H+ H H+ ATP + sintase H+ H
H+ H+ Sistem cahaya I (PSI) Pengantar Ilmu Pertanian
NADPH
H+
H+
ATP
19
Tahap-tahap reaksi terang
Teori kemiosmosis
Air dipecah sebagai sumber elektron di sistem cahaya II Elektron yang tereksitasi mentransfer energinya ke rangkaian pembawa elektron dengan tingkat energi yang lebih rendah untuk memompa proton (H+) dari stroma ke ruang dalam tilakoid (matriks) Terjadi perbedaan konsentrasi ion H+ antar dua permukaan membran (matriks dan stroma) Beda potensial ini digunakan ion H+ kembali ke stroma melewati enzim ATP sintase untuk membentuk ATP dari ADP Elektron akhirnya diterima oleh penerima elektron terakhir yaitu NADP+ sehingga berubah menjadi NADPH Pengantar Ilmu Pertanian
20
Teori Zigzag Sistem cahaya II (PSII)
Rantai Reaksi redoks
Sistem cahaya I (PSI)
e-
Chl*
e-
Chl*
I PQ
Fd
Cyt
e-
e-
PC
H2O
Chl O2
+ H+
H+
Foton
NADP+ + H+ NADPH
e-
ADP + Pi
ATP
Chl
Foton Pengantar Ilmu Pertanian
21
Reaksi gelap Tidak berhubungan langsung dengan cahaya memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk mereduksi CO2 menjadi gula Gula NADP+
NADPH
CO2 + H2O
Siklus Calvin
ATP ADP
Tetap terjadi pada saat ada cahaya/siang hari Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO2 Pengantar Ilmu Pertanian
22
Ribulosa-1,5bisfosfat
CO2 + H2O
Enzim Rubisco ADP
Karboksilasi
Regenerasi
SIKLUS CALVIN
3-Fosfogliserat
ATP
ATP +
Gliseraldehid3-fosfat
Setiap 12 G3P: 10 regenerasi 2 gula Pengantar Ilmu Pertanian Sucrose, Starch Sukrosa, pati
Reduksi
NADPH
ADP + Pi NADP+
23
Tumbuhan C3, C4 dan CAM Berdasarkan metabolisme fotosintesis dan anatomi daunnya tumbuhan dikelompokkan ke dalam 3 grup: Tumbuhan C3 Tumbuhan C4 Tumbuhan CAM
Pengantar Ilmu Pertanian
24
Tumbuhan C3
CO2
•
Reduksi karbon terjadi melalui siklus Calvin (siklus C3)
•
Disebut tumbuhan C3 karena senyawa awal yang terbentuk berkarbon 3 (fosfogliserat)
•
Sebagian besar tumbuhan tinggi masuk ke dalam kelompok tumbuhan C3
•
Apabila stomata menutup akibat stress terjadi peningkatan fotorespirasi pengikatan O2 oleh enzim Rubisco
Siklus Calvin
Gula
Pengantar Ilmu Pertanian
25
Tumbuhan C4 Epidermis atas
•
Sel seludang pembuluh berkembang dengan baik dan banyak mengandung kloroplas
•
Fotosintesis terjadi di dalam sel mesofil dan sel seludang pembuluh
Sel mesofil Pembuluh daun Sel seludang Pembuluh
Epidermis bawah Stomata
•
Pengikatan CO2 di udara melalui lintasan C4 di sel mesofil dan reduksi karbon melalui siklus Calvin (siklus C3) di dalam sel seludang pembuluh
•
Fototrespirasi tidak terjadi/rendah sekali Pengantar Ilmu Pertanian
26
Tumbuhan C4 CO2
Lintasan C4 Malat
Piruvat
Malat
CO2
Siklus Calvin Gula
Piruvat
• Pengikatan CO2 di udara terjadi di dalam sel mesofil melalui lintasan C4 dan reduksi karbon terjadi di dalam sel seludang pembuluh melalui siklus Calvin (siklus C3) • Beberapa tumbuhan tropis termasuk dalam C4 seperti jagung, tebu dan bayam (Amaranthus sp.) Pengantar Ilmu Pertanian
27
Malam hari
Tumbuhan CAM CO2
Lintasan C4 malat
Siang hari
CO2
Siklus Calvin
Gula
Umumnya tumbuhan yang beradaptasi pada keadaan kering seperti kaktus, anggrek dan nenas Reduksi karbon melalui lintasan C4 dan C3 dalam sel mesofil tetapi waktunya berbeda Pada malam hari terjadi lintasan C4 pada siang hari terjadi suklus C3 Pada malam hari asam malat tinggi, pada siang hari malat rendah Pengantar Ilmu Pertanian
28
Karakteristik reduksi karbon pada tumbuhan
Sel mesofil
CO2
Lintasan C4 Malat
Piruvat
Malat
Siklus Calvin
CO2
Lintasan C4 malat
Piruvat
Siklus Calvin
Gula
CO2
CO2
Gula
Pengantar Ilmu Pertanian
Siang hari
CO2
CAM
Sel mesofil
C4 Malam hari
C3
Siklus Calvin
Gula
29
Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO2 di atmosfir
Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO2
Pengantar Ilmu Pertanian
30
Nisbah Pemanfaatan Energi Surya oleh Makhluk Hidup Rata-rata energi surya sampai di tepi luar atmosfir bumi per tahun = 263 000 langley (1 langley = 1 gcal/cm2) 123 000 langley/tahun dipantulkan oleh awan atau diserap air/debu 140 000 langley/tahun sampai ke permukaan bumi 2% dimanfaatkan untuk fotosintesis (khusus yang memp. Panjang gelombang 0.4-0.7 mikron)
1-
Efisiensi pemanfaatan energi dalam karbohidrat berbeda untuk makhluk hidup. Tumbuhan menyerap energi dalam karbohidrat 1-2% Pengantar Ilmu Pertanian
31
Pemanfaatan energi: 1. Matahari menyampaikan 1.3 x 1023 kal/tahun 2. Tumbuhan memanfaatkan 1 x 1021 kal/tahun 3. Herbivora memanfaatkan 5 x 1020 kal/tahun 4. Karnivora memanfaatkan 1 x 1020 kal/tahun 5. Karnivora tingkat dua memanfaatkan 3 x 1019 kal/tahun Perbedaan pendayagunaan energi mempengaruhi pola makan bangsa-bangsa Bangsa miskin banyak mengkonsumsi nabati Bangsa kaya banyak mengkonsumsi hewani
Pengantar Ilmu Pertanian
32
Pengantar Ilmu Pertanian
33
