TOPIK 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN
Transcript of TOPIK 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 11
TOPIK TOPIK 77 : : FOTOSINTESIS DAN ENERGI FOTOSINTESIS DAN ENERGI
KEHIDUPANKEHIDUPAN
TIK : TIK : SetelahSetelah mengikutimengikuti kuliahkuliah iniini, , andaandadapatdapat menjelaskanmenjelaskan FotosintesisFotosintesis dandanenergienergi kehidupankehidupan..
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 22
EnergiEnergi
EnergiEnergi SuryaSurya / / EnergiEnergi ElektromagnetikElektromagnetikEnergiEnergi MekanikMekanikEnergiEnergi PanasPanas MatahariMatahariEnergiEnergi GeotermalGeotermal / / PanasPanas BumiBumiEnergiEnergi GravitasiGravitasiEnergiEnergi NuklirNuklir
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 33
EnergiEnergi SintesisSintesis KimiaKimia
TidakTidak semuasemua makhlukmakhluk hiduphidup mendapatkanmendapatkan energienergi daridari fotosintesisfotosintesissintesissintesis kimiakimia
BakteriBakteri nitritnitrit var. nitrosamine var. nitrosamine mengubahmengubah amoniakamoniak menjadimenjadi nitritnitritselanjutnyaselanjutnya nitratnitrat dandan mendapatkanmendapatkan energienergi nitrifikasinitrifikasi
2NH2NH33 + 3O+ 3O22 2HNO2HNO22 + 2H+ 2H22O + + 158 kcalO + + 158 kcal
2HNO2HNO22 + O+ O22 2HNO2HNO33 + 36 kcal+ 36 kcal
BakteriBakteri pengoksidpengoksid belerangbelerang mendapatmendapat energienergi daridari::
2H2H22S + OS + O22 SS22 + 2H+ 2H22 + + energienergi
BakteriBakteri pengoksidpengoksid besibesi mendapatmendapat energienergi daridari::
4Fe4Fe++++ + 4H+ 4H++ + O+ O22 4Fe4Fe++++++ + 2H+ 2H22O + O + energienergi
kemokemo--ototrofikototrofik
⌦ Pentingnya fotosintesis bagi makhluk hidup adalah :- Mengikat energi surya mjd energi dlm bentuk bahankimia 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 olehJulius van Sachs, 1865)
⌦ Bagian dalam kloroplast disekat dinding lamella, ygmemisahkan zat dlm kloroplast yg disebut stroma
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 55
FotosintesisFotosintesis TumbuhanTumbuhan HijauHijau
PenghasilPenghasil utamautama energienergi kimiakimia melaluimelalui sinarsinar suryasurya adalahadalah tumbuhantumbuhanhijauhijau
6CO6CO22 + 6H+ 6H22O O -- CC66HH1212OO66 + 6O+ 6O22 + 6H+ 6H22OO
SetiapSetiap tahuntahun tumbuhantumbuhan hijauhijau menghasilkanmenghasilkan 400 000 400 000 jtjt ton Oton O22, , mengikatmengikat 150 000 150 000 jtjt ton COton CO2 2 dandan 25 000 25 000 jtjt ton Hton H22OOPeningkatanPeningkatan kadarkadar karbondioksidakarbondioksida didi lapisanlapisan atmosfiratmosfir akanakanmenghambatmenghambat pengembalianpengembalian energienergi panaspanas daridari bumibumi dandan akanakanmeningkatkanmeningkatkan suhusuhu atmosfiratmosfir bumibumi greenhouse effectgreenhouse effectJulius von Sachs (1865): Julius von Sachs (1865): prosesproses fotosintesisfotosintesis terjaditerjadi dalamdalam zarahzarahkecilkecil dalamdalam tumbuhantumbuhan yang yang berwarnaberwarna hijauhijau ((kloroplastkloroplast))
Energisurya/klorofil
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 66
LangkahLangkah dalamdalam fotosintesisfotosintesis ::ReaksiReaksi terangterang didi lamellalamellaReaksiReaksi gelapgelap didi stromastroma
Dr. Melvin Calvin (1961 Dr. Melvin Calvin (1961 menerimamenerima nobelnobel) ) menjelaskanmenjelaskan daurdaurpembentukanpembentukan karbohidratkarbohidrat DaurDaur CalvinCalvinBakteriBakteri merahmerah membuatmembuat fotosintesisfotosintesis dengandengan mengikatmengikat HH22SS
6CO6CO22 + 12H+ 12H22S S -- CC66HH1212OO66 + 12S + 6H+ 12S + 6H22OO
fotoototrofikfotoototrofik
Denah proses fotosintesis
Energisurya
Reaksiterang
H2O
Energisurya
O2
ADPATP
NADPH + H+
NADP
Reaksigelap
H2O
CO2
KH berenergi
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 77
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 PertanianPengantar Ilmu Pertanian 88
Pemanenan enargi surya
Bahan organik
Energi KimiaOksigen
Matahari
MakananPakaian Perumahan
Obat
KosmetikBahan bakar
dll.
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 99
Sejarah Fotosintesis
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1010
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 PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1111
Fotosintesis
Fotosintesis melibatkan tumbuh-tumbuhan yang ada di darat, perairan air
tawar maupun lautan
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1212
Pada tumbuhan tinggi Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas
Stroma
Tilakoid
Membran dalam
Membran luar
Granum
Ruang antar membran
Potongan melintang Potongan melintang daun jagungdaun jagung
Model Model strukturstruktur kloroplaskloroplas
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1313
Fotosintesis: proses oksidasi reduksi
Cahaya Matahari
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Reduksi
Oksidasi
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1414
Fotosintesis menghasilkan gas oksigen dari pemecahan air
6CO2 + 12H2O* C6H12O6 + 6H2O +6O2*
6CO2 6H2O*
C6H12O6 6H2O 6O2*
6CO2* + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Penggunaan oksigenberlabel O2 berasaldari H2O
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1515
Fotosintesis
Reaksi terang
Reaksi gelap
ATP NADPH
ADP+Pi NADP+
Reaksi terang(Dalam Grana)
Cahaya
H2O
O2
CO2
Gula
Reaksi Gelap(dalam stroma)
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1616
Reaksi terang
ATP
Prosesnya digerakkan oleh cahaya
Cahaya matahari
NADPH
dan
Reaksi terjadi di dalam grana khususnya pada membran tilakoid kloroplas
Klorofil
Energi KIMIA Energi CAHAYA
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1717
Cahaya matahari: gelombang elektromagnetik
Gelombang mikro
Gelombang radio
infra merah
Cahaya Tampak
380 450 500 550 600 650 700 750 nm
Peningkatan λ
Peningkatan Energi
UVsinar Xsinar
Gamma
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1818
Spektrum cahaya merahmerah dan birubiru adalah yang efektif diserap oleh pigmen tumbuhan dalam proses fotosintesis, cahaya hijauhijau sebagian besar dipantulkan daun berwarna hijau
400 500 600 700
Panjang Gelombang (nm)
Laju
Fo t
osi n
t esi
s
Panjang gelombang efektif untuk fotosintesis
Absorbsi cahaya oleh klorofil a
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 1919
Konsep dasar reaksi terang
Sistem cahaya II (PSII)
Kompleks sitokrom
Sistem cahaya I (PSI)
NADP reduktaseATP
sintase
Bagian dalam tilakoidH+ H+ H+
H+
H+ H+
H+
H+
H+ H+
NADPH
ATP
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2020
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
Tahap-tahap reaksi terang Teori kemiosmosis
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2121
Chl*
Chl
e-
PQ
Cyt
PC
e-
I Chl*
Chl
e-
e-
Fd
NADP+
+ H+
NADPHH2O
O2
+H+ H+
e-
ADP + PiATP
Foton
Foton
Sistem cahaya II (PSII) Sistem cahaya I (PSI)Rantai Reaksi redoks
Teori Zigzag
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2222
Reaksi gelap
Tidak berhubungan langsung dengan cahaya
memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi terang untuk mereduksi CO2 menjadi gula
Tetap terjadi pada saat ada cahaya/siang hari
Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO2
ATP
ADPNADPH
NADP+
Siklus Calvin
CO2 + H2OGula
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2323NADP+
ADP + Pi
Karboksilasi
Gliseraldehid-3-fosfat
CO2 + H2O
Reduksi
ATP
NADPH
+
Sucrose, Starch
Regenerasi
ATP
ADP
SIKLUS CALVIN 3-Fosfogliserat
Ribulosa-1,5-bisfosfat
Sukrosa, pati
Setiap 12 G3P:10 regenerasi2 gula
Enzim Rubisco
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2424
Berdasarkan metabolisme fotosintesis dan anatomi daunnya tumbuhan dikelompokkan ke dalam 3 grup:
Tumbuhan C3
Tumbuhan C4
Tumbuhan CAM
Tumbuhan C3, C4 dan CAM
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2525
CO2
Gula
Siklus Calvin
CO2
Gula
Siklus Calvin
CO2
Gula
Siklus Calvin
• 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 fotorespirasipengikatan O2 oleh enzim Rubisco
Tumbuhan C3
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2626
Tumbuhan C4
Epidermis atas
Sel mesofil
Pembuluh daun
Sel seludang Pembuluh
Epidermis bawah
Stomata
• Sel seludang pembuluh berkembang dengan baik dan banyak mengandung kloroplas
• Fotosintesis terjadi di dalam sel mesofil dan sel seludang pembuluh
• 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 PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2727
Tumbuhan C4
• 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.)
MalatMalat
Lintasan Lintasan C4C4
COCO22
SiklusCalvin
GulaGula
MalatMalat
COCO22
PiruvatPiruvat
PiruvatPiruvat
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2828
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
Lintasan C4
CO2
CO2
Sian
g ha
riM
alam
har
i
Siklus Calvin
Gula
Lintasan C4
CO2
CO2
Sian
g ha
riM
alam
har
i
Siklus Calvin
Gula
Siklus CalvinSiklus Calvin
Gula
malat
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 2929
Karakteristik reduksi karbon pada tumbuhan
C3 C4 CAM
CO2
Gula
Siklus Calvin
Sel mesofilSel mesofil
Sel m
e so f
ilS e
l me s
o fil
MalatMalat
Lintasan Lintasan C4C4
COCO22
SiklusCalvin
GulaGula
MalatMalat
COCO22
PiruvatPiruvat
PiruvatPiruvat
MalatMalat
Lintasan Lintasan C4C4
COCO22
SiklusCalvin
GulaGula
COCO22
SiklusCalvin
GulaGula
MalatMalat
COCO22
PiruvatPiruvat
PiruvatPiruvat
Lintasan C4
CO2
CO2
Sian
g h
ari
Mal
am h
ari
Siklus Calvin
Gula
malat
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 3030
Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO2 di atmosfir
Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO2
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 3131
NisbahNisbah PemanfaatanPemanfaatan EnergiEnergi Surya Surya oleholeh MakhlukMakhluk HidupHidup
RataRata--rata rata energienergi suryasurya sampaisampai didi tepitepi luarluar atmosfiratmosfir bumibumiper per tahuntahun = 263 000 = 263 000 langleylangley (1 (1 langleylangley = 1 gcal/cm= 1 gcal/cm22))
123 000 123 000 langley/tahunlangley/tahun dipantulkandipantulkan oleholeh awanawan atauataudiserapdiserap air/air/debudebu
140 000 140 000 langley/tahunlangley/tahun sampaisampai keke permukaanpermukaan bumibumi 11--2% 2% dimanfaatkandimanfaatkan untukuntuk fotosintesisfotosintesis ((khususkhusus yang yang mempmemp. . PanjangPanjang gelombanggelombang 0.40.4--0.7 0.7 mikronmikron))
EfisiensiEfisiensi pemanfaatanpemanfaatan energienergi dalamdalam karbohidratkarbohidrat berbedaberbedauntukuntuk makhlukmakhluk hiduphidup. . TumbuhanTumbuhan menyerapmenyerap energienergidalamdalam karbohidratkarbohidrat 11--2%2%
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 3232
PemanfaatanPemanfaatan energienergi::1.1. MatahariMatahari menyampaikanmenyampaikan 1.3 x 101.3 x 102323 kal/tahunkal/tahun2.2. TumbuhanTumbuhan memanfaatkanmemanfaatkan 1 x 101 x 102121 kal/tahunkal/tahun3.3. HerbivoraHerbivora memanfaatkanmemanfaatkan 5 x 105 x 102020 kal/tahunkal/tahun4.4. KarnivoraKarnivora memanfaatkanmemanfaatkan 1 x 101 x 102020 kal/tahunkal/tahun5.5. KarnivoraKarnivora tingkattingkat duadua memanfaatkanmemanfaatkan 3 x 103 x 101919
kal/tahunkal/tahun
PerbedaanPerbedaan pendayagunaanpendayagunaan energienergi mempengaruhimempengaruhi polapolamakanmakan bangsabangsa--bangsabangsa
BangsaBangsa miskinmiskin banyakbanyak mengkonsumsimengkonsumsi nabatinabatiBangsaBangsa kayakaya banyakbanyak mengkonsumsimengkonsumsi hewanihewani
Pengantar Ilmu PertanianPengantar Ilmu Pertanian 3333