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 2NH 3 + 3O 2 2HNO 2 + 2H 2 O + + 158 kcal 2HNO 2 + O 2 2HNO 3 + 36 kcal Bakteri pengoksid belerang mendapat energi dari: 2H 2 S + O 2 S 2 + 2H 2 + energi Bakteri pengoksid besi mendapat energi dari: 4Fe ++ + 4H + + O 2 4Fe +++ + 2H 2 O + energi kemo-ototrofik 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 CO 2 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 6CO 2 + 6H 2 O - C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O Energi surya/ klorofil Setiap tahun tumbuhan hijau menghasilkan 400 000 jt ton O 2, mengikat 150 000 jt ton CO 2 dan 25 000 jt ton H 2 O 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 2 O CO 2 Energi surya Reaksi terang ADP ATP NADPH + H + Reaksi gelap KH berenergi NADP O 2 Denah proses fotosintesis H 2 O Dr. Melvin Calvin (1961 menerima nobel) menjelaskan daur pembentukan karbohidrat Daur Calvin Bakteri merah membuat fotosintesis dengan mengikat H 2 S 6CO 2 + 12H 2 S - C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 O fotoototrofik Energi surya 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 Energi Kimia Oksigen Bahan organik Makanan Kosmetik Obat Pakaian 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 Potongan melintang daun jagung Membran dalam Membran luar Model struktur kloroplas Pengantar Ilmu Pertanian 12
Fotosintesis: proses oksidasi reduksi Cahaya Matahari 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Reduksi Oksidasi Pengantar Ilmu Pertanian 13
Fotosintesis menghasilkan gas oksigen dari pemecahan air 6CO 2* + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 6CO 2 + 12H 2 O * C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O +6O 2 * Penggunaan oksigen berlabel O 2 berasal dari H 2 O 6CO 2 6H 2 O * C 6 H 12 O 6 6H 2 O 6O 2 * Pengantar Ilmu Pertanian 14
Cahaya Reaksi terang H 2 O O 2 Reaksi terang (Dalam Grana) Fotosintesis ATP NADP H ADP+Pi NADP + CO 2 Reaksi gelap Reaksi Gelap (dalam stroma) Gula Pengantar Ilmu Pertanian 15
Reaksi terang Prosesnya digerakkan oleh cahaya Cahaya matahari Klorofil ATP 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 sinar X UV infra merah 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 + H + H + H + NADP reduktase H + H+ ATP sintase Kompleks sitokrom Sistem cahaya II (PSII) H + H + Sistem cahaya I NADPH (PSI) H + H Pengantar Ilmu Pertanian + 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 - I Chl * e - Chl * PQ Fd H 2 O e - Cyt PC e - NADP + + H + NADPH Chl e - O 2 + H + H + Foton ADP + P i ATP Chl Foton Pengantar Ilmu Pertanian 21
Reaksi gelap Tidak berhubungan langsung dengan cahaya memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk mereduksi CO 2 menjadi gula Gula CO 2 + H 2 O NADP + NADPH Siklus Calvin ATP ADP Tetap terjadi pada saat ada cahaya/siang hari Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO 2 Pengantar Ilmu Pertanian 22
Ribulosa-1,5- bisfosfat CO 2 + H 2 O Enzim Rubisco ADP Karboksilasi Regenerasi SIKLUS CALVIN 3-Fosfogliserat ATP ATP Setiap 12 G3P: 10 regenerasi 2 gula Gliseraldehid- 3-fosfat Sukrosa, Sucrose, Starch pati Reduksi NADPH ADP + Pi Pengantar Ilmu Pertanian 23 + NADP +
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
CO 2 Siklus Calvin Gula Tumbuhan C3 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 O 2 oleh enzim Rubisco Pengantar Ilmu Pertanian 25
Tumbuhan C4 Stomata Epidermis atas Sel mesofil Pembuluh daun Sel seludang Pembuluh Epidermis bawah Sel seludang pembuluh berkembang dengan baik dan banyak mengandung kloroplas Fotosintesis terjadi di dalam sel mesofil dan sel seludang pembuluh Pengikatan CO 2 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 CO 2 Lintasan C4 Malat Malat CO 2 Piruvat Piruvat Pengikatan CO 2 di udara terjadi di dalam sel mesofil melalui lintasan C4 dan reduksi karbon terjadi di dalam sel seludang pembuluh melalui siklus Calvin (siklus C3) Gula Siklus Calvin Beberapa tumbuhan tropis termasuk dalam C4 seperti jagung, tebu dan bayam (Amaranthus sp.) Pengantar Ilmu Pertanian 27
Siang hari Malam hari CO 2 Lintasan C4 malat CO 2 Siklus Calvin Gula Tumbuhan CAM 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 C3 C4 CAM Sel mesofil CO 2 Siklus Calvin Gula Gula CO 2 Lintasan C4 Malat Malat CO 2 Siklus Calvin Piruvat Piruvat Siang hari Malam hari CO 2 Lintasan C4 malat CO 2 Siklus Calvin Gula Sel mesofil Pengantar Ilmu Pertanian 29
Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO 2 di atmosfir Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO 2 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/cm 2 ) 123 000 langley/tahun dipantulkan oleh awan atau diserap air/debu 140 000 langley/tahun sampai ke permukaan bumi 1-2% dimanfaatkan untuk fotosintesis (khusus yang memp. Panjang gelombang 0.4-0.7 0.7 mikron) 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 10 23 kal/tahun 2. Tumbuhan memanfaatkan 1 x 10 21 kal/tahun 3. Herbivora memanfaatkan 5 x 10 20 kal/tahun 4. Karnivora memanfaatkan 1 x 10 20 kal/tahun 5. Karnivora tingkat dua memanfaatkan 3 x 10 19 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