Pertemuan : Minggu ke 4 Estimasi waktu : 150 menit Pokok Bahasan : Fotosintesis : reaksi reduksi karbon Sub pokok bahasan : 1. Reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan C-3. 2. Reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan C-4. 3. Reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan CAM. Tujuan khusus : 1. Mahasiswa mengetahui dan dapat menjelaskan reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan C-3. 2. Mahasiswa mengetahui dan dapat menjelaskan reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan C-4. 3. Mahasiswa mengetahui dan dapat menjelaskan reaksi fiksasi dan reduksi karbon pada tumbuhan CAM. Metode : Kuliah dan diskusi Media : OHP dan white-board Materi perkuliahan : I. REAKSI SINTESIS (REAKSI REDUKSI KARBON) Kemajuan yang berarti dalam penelitian tentang reaksi reduksi karbon dicapai oleh Melvin Calvin, Andrew Benson, dan James Basham dari UCLA. Pada th. 1945 Calvin dkk memulai penelitian dengan memberikan CO 2 yang radioaktif kepada ganggang bersel tunggal Chlorella pyrenoidosa dan kemudian merunut keberadaan atom C yang radioaktif pada senyawa-senyawa yang terbentuk. Dengan lama penyinaran yang terpendek, Calvin mendapatkan bahwa atom karbon yang radioaktif terdapat pada senyawa asam 3-fosfogliserat (3-PGA). Dengan membuat variasi lama waktu penyinaran, akhirnya pada th. 1955 Calvin dapat mengetahui senyawa pengikat CO 2, dan menyusun rangkaian senyawasenyawa antara yang terbentuk dalam reaksi reduksi karbon dalam suatu daur yang diberi nama daur Calvin (Gambar 5). Penemuan Calvin dkk. berupa daur Calvin yang terkenal itu pada tahun 1961 mendapat penghargaan Nobel dari Akademi Ilmu Pengetahuan di Swiss. Daur Calvin menunjukkan ada 3 kelompok reaksi yang penting yaitu: pengikatan CO 2, reduksi CO 2, dan regenerasi Ribulose Bis Fosfat (RuBP). Di dalam reaksi pengikatan CO 2, 6 mol. CO 2 yang ada di dalam kloroplas akan diikat oleh 6 mol. RuBP (5C) menjadi 12 mol.3-pga masing-masing dengan 3 atom C, sehingga daur Calvin ini juga disebut daur C-3 dan tumbuhan yang melakukan reaksi reduksi karbon melalui daur Calvin disebut tumbuhan C-3. Reaksi pengikatan CO 2 oleh RuBP ini dikataliser oleh enzim RuBP-karboksilase.
Gambar 5. Daur Calvin (dari buku Plant Physiology. Salisbury & Ross.1999) Asam fosfogliserat ini kemudian akan direduksi dengan ATP dan NADPH hasil dari reaksi-reaksi cahaya, menjadi 12 mol. Gliseraldehid-P (GDP), masingmasing 3 atom C. Selanjutnya 2 mol. GDP akan keluar dari daur menjadi glukose (6C), sedangkan yang 10 mol. akan memasuki rangkaian reaksi menjadi 6 mol. Ribulose-5-P, dan selanjutnya mengalami fosforilasi dengan 6 mol. ATP menjadi Ribulose 1,5-Bis-P (RuBP) Dari daur ini nampak bahwa untuk menghasilkan 1 mol. glukose dan meregenerasi 6 mol. RuBP diperlukan 18 mol. ATP dan 12 mol. NADPH. Melihat daun Calvin ini, nampak bahwa ketersediaan RuBP dan CO 2 di dalam kloroplas merupakan faktor kunci untuk meningkatkan produksi glukose melalui daur Calvin ini. Sementara untuk ATP dan NADPH hasil dari reaksi cahaya diharapkan tersedia cukup, selama faktor-faktor internal tidak menjadi pembatas, karena dalam keadaan normal cahaya matahari tersedia cukup melimpah. Pada th. 1965 Kortschack dkk. yang bekerja sebagai peneliti di pabrik gula di Hawaii menemukan bâhwa senyawa stabil pertama hasil pengikatan CO 2 dalam fotosintesis tanaman tebu (Saccharum officinarum) adalah bukan 3-PGA tetapi asam malat (Gambar 6). Pada th. 1966 Hatch dan Slack, peneliti dari Australia menemukan hal yang sama pada tanaman jagung (Zea mays) dan menyusun daur reaksi reduksi CO 2 pada tanaman jagung yang dinamakan daur Hatch dan Slack (Gambar 7) atau daur C-4, karena asam malat mempunyai 4 atom C. Dalam daur ini terjadi 2 X pengikatan CO 2 pada tempat yang berbeda.
Gambar 6. Grafik radioaktivitas asam malat, aspartat, dan fosfogliserat (dari Plant Physiology. Salisbury & Ross. 1999) Pengikatan karbon yang pertama menggunakan substrat HCO 3 bukan CO 2 dan terjadi di dalam kloroplas sel-sel mesofil bunga karang serta dikataliser oleh PEP karboksilase yang terdapat di dalam sitosol. Asam oksalat yang terbentuk dengan cepat akan direduksi oleh NADPH menjadi asam malat dengan bantuan enzim NADP-malat dehidrogenase. Asam malat ini kemudian ditranslokasi ke selsel parenkim seludang berkas pengangkut yang kaya akan kloroplas (Gambar 8) dan mengalami oksidasi serta dekarboksilasi menjadi asam piruvat dan CO 2 Gambar 7. Daur Hatch dan Slack (Daun C-4) (dan buku Plant Physiologi. Salisbury & Ross. 1999) boksilasi menjadi asam piruvat dan CO 2 serta terjadi reduksi NADP menjadi NADPH. Karbon dioksida ini kemudian akan diikat oleh RuBP dan kemudian direduksi dengan mengikuti daur Calvin. Asam piruvat hasil oksidasi as. malat akan ditranslokasi kembali ke sel-sel mesofil bunga karang dan diubah menjadi
PEP untuk kembali bertugas mengikat CO 2. Tumbuhan yang fotosintesisnya mengikuti daur C-4 ini dinamakan tumbuhan C-4. Gambar 8. Penampang melintang daun jagung (Zea mays) dengan bentuk Kranz Anatomie (dari buku Plant Physiology. Salisbury & Ross. 1999) Ada 3 variasi pada daur C-4 ini yang dibedakan atas jenis asam 4 karbon yang ditranslokasi ke sel-sel seludang berkas pengangkut (asam malat atau aspartat) dan sifat dari reaksi dekarboksilasinya (Gambar 9). Ketiga jenis daur C-4 tersebut diberi nama berdasarkan pada enzim yang mengkataliser reaksi dekarboksilasi, yaitu enzim malat-nadp (NA-DP-ME) yang ditemukan di kloroplas, enzim malat NAD (NAD-ME) yang ditemukan di mitokondria, dan fosfoenol piruvat karboksikinase (PEP-CK) yang terdapat di dalam sitosol. Daur C-4 tipe NAD-ME akan melakukan reaksi transaminasi dari as. amino glutamat sehingga terbentuk as. aspartat dan as. -ketoglutarat. Asam aspartat akan diangkut ke sel-sel seludang berkas pengangkut dan mengalami dekarboksilasi menjadi alanin dan CO 2. Karbon dioksida yang dibebaskan akan diikat oleh RuBP dalam daur Calvin, sedangkan alanin akan diangkut kembali
Gambar 9. Gambar skematis variasi daur C-4 (dan Plant Physiologi. Taiz & Zieger.1998) ke sel-sel mesofil bunga karang dan mengalami deaminasi dan fosforilasi menjadi PEP. Pada daur C-4 tipe PEP-karboksikinase, OAA akan diubah menjadi as. aspartat melalui reaksi transaminasi. Asam aspartat kemudian ditranslokasi ke selsel parenkim seludang berkas pengangkut dan mengalami deaminasi serta dekarboksilasi menjadi PEP dan CO 2. Karbon dioksida akan diikat oleh RuBP dan mengalami reduksi dalam daur Calvin, sedang PEP dikembalikan ke sel-sel mesofil bunga karang. Tumbuhan golongan Crassulaceae yang banyak tumbuh di daerah kering, menutup stomatanya pada siang hari untuk mengurangi jumlah air yang hilang melalui transpirasinya. Pada malam hari, stomata tumbuhan ini membuka sehingga dapat terjadi difhsi CO 2 ke dalam daun. Terjadinya pengikatan CO 2 pada malam hari ditunjukkan dengan naiknya keasaman cairan sel-sel daun pada malam hari (Gambar 10). Hal ini juga menunjukkan adanya kenaikan asam malat pada malam hari yang kemudian disimpan di dalam vakuola sel-sel daun. Pada pagi hari, keasaman cairan sel menurun yang menunjukkan bahwa as. malat
dikeluarkan dari dalam vakuola dan kemudian dioksidasi menjadi asam piruvat serta membebaskan CO 2. Karbon dioksida ini akan diikat oleh RuBP dan direduksi mengikuti daur Calvin. Daur reduksi karbon pada tumbuhan Crassulaceae ini dinamakan daur metabolisme asam pada Crassulaceae (Crassulacean Acid Metabolism/CAM) yang pola pengikatan dan reduksi karbon-nya hampir sama dengan daur C-4, tetapi waktu pengikatan CO 2 -nya berbeda yaitu malam dan siang. Gambar 10. Daur CAM (dari buku: Plant Physiology. Taiz & Zieger. 1998)