Fotosintesis Proses sintesis karbohidrat dari CO2 dan H2O yang digerakkan oleh energi cahaya Reaksi: CO2 direduksi menjadi karbon-gula dengan pereduksi H2O Percobaan CB van Niel (1941) dengan menggunakan 18O pada air dan CO2 tidak dilabel menunjukkan bahwa O2 yang dihasilkan tidak berasal dari CO2 melainkan dari air

Kloroplas daun bayam Koloni sianobakteria Anabaena

Reaksi umum CO2 + 2 H2O → [CH2O] + H2O + O2 atau CO2 + 2 H2A → [CH2O] + H2O + 2A

Kloroplas Ditemukan dibawah permukaan daun (sel mesofil) Tiap sel mengandung 20 – 50 organel Mirip mitokohodria, punya DNA sendiri Kloroplas berevolusi dari unisel sianobakteri (alga biru–hijau) Prokariot yang mampu berfotosintesis (misalnya bakteri rodhopsin) tidak memiliki kloroplas tetapi punya struktur membran yang mempunyai peran mirip dengan membran kloroplas

Tahap reaksi fotosintesis Reaksi terang. Energi sinar matahari digunakan untuk oksidasi fotokimia H2O menjadi O2. Elektron yang dihasilkan dipakai untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH. Fotofosforilasi untuk sintesis ATP. Reaksi gelap (reaksi yang tak perlu energi cahaya). Sintesis karbohidrat dari CO2 dan H2O dengan memakai energi hasil reaksi terang (Siklus Calvin).

Reaksi terang

Energi foton Hukum Plank E = hn dengan n = c/l; dimana h (tetapan Plank), 6,626 × 10-34 Js, c (kecepatan cahaya), 2,99 × 108 m/s, dan l (panjang gelombang) 1 mol foton (6,02 × 1023) = 1 einstein Jika foton berasal dari cahaya tampak (400–700 nm), maka energi 1 mol foton berkisar antara 170–300 kJ. Untuk mensintesis ATP perlu 30 kJ/mol

Molekul penangkap foton Klorofil a Menyerap cahaya biru dan merah, memantulkan warna hijau (stabil dengan adanya ikatan rangkap terkonjugasi)

Absorbsi pigmen penangkap foton - Klorofil a - Klorofil b

Struktur pengumpul cahaya Membran tilakoid kloroplas menahan klorofil dan beberapa asesori pigmen (beberapa terikat ke protein) Klorofil a dan b tidak terikat ke protein tetapi berinteraksi dengan lipid dan protein membran Gabungan pigmen pemanen cahaya disebut fotosistem (kompleks pemanen cahaya), yang mengandung antena, klorofil (sebagai pusat reaksi), dan asesori 1 molekul O2 dihasilkan oleh tiap 2500 klorofil

Pusat reaksi fotosintesis bakteri

Mekanisme pemanenan cahaya Absorbsi cahaya mengakibatkan elektron pada orbital p dalam sistem ikatan rangkap terkonjugasi akan tereksitasi dari keadaan dasar ke keadaan berenergi tinggi (tereksitasi) Sistem transfer energi: Pada saat elektron kembali ke keadan dasar, energi ditransfer ke molekul lain sehingga molekul ini tereksitasi Elektron berenergi tinggi dipakai oleh molekul lain yang kekurangan elektron

Resonansi transfer energi

Aliran elektron pada reaksi terang digerakkan oleh cahaya Dua macam fotosistem terlibat dalam fotosintesis di tanaman : PSII (Fotosistem II, P680), kla = klb, untuk oksidasi air 2 H2O → 4 H+ + 4e- + O2 PSI (Fotosistem I, P700), kla > klb, untuk reduksi NADP+ menjadi NADPH 4e- + 2 H+ + 2 NADP+ → 2 NADPH

Aliran elektron di fotosistem II 4 foton diserap menghasilkan 1 O2 dan 4 H+ dilepas ke lumen tikaloid MCB 1601

Gradien proton Fotosistem II Sitokrom bf 4 foton diserap menghasilkan 1 O2 dan 4 H+ dilepas ke lumen tikaloid 2 plastoquinol dioksidasi, melepas 8 H+ ke lumen tikaloid

Aliran elektron di fotosistem I 4 foton diserap, 4 ferredoksin direduksi, dan 2 NADPH dihasilkan

Sintesis NADPH oleh ferredoksin

Aliran elektron dari air ke NADP+

Konversi energi foton ke ATP 12 H+stroma dikembalikan ke stroma oleh ATP sintase, 3 ATP dihasilkan 8 foton 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi + H+stroma → O2 + 2 NADPH + 3 ATP + H2O 8 foton = 3 ATP (2,7 foton/ATP)

CF0 12 subunit, 1 putaran 12 H+ lewat dan 3 ATP dihasilkan 4 H+/ATP >60% urutan asam amino ATP sintase manusia identik ATP sintase kloroplas jagung, meski 1 milyar tahun berpisah dari kerajaan tanaman dan tumbuhan F0 10 subunit, 1 putaran 10 H+ lewat dan 3 ATP dihasilkan 3,3 H+/ATP

Fotofosforilasi lingkar di PS I 4 foton diserap 8H+ dipompa, menghasilkan 2 ATP dan tidak ada NADPH

Reaksi gelap (siklus Calvin)

Tahap 1: Fiksasi CO2 Karboksilasi Oksigenasi Rubisco, ribulosa 1,5-bisfosfat karboksilase/oksigenase

Fotorespirasi O2 diserap, CO2 dilepas, tanpa ada ATP, NADPH, atau metabolit kaya energi dihasilkan

Tahap 2: Reduksi 3-fosfogliserat

Tahap 3: regenerasi ribulosa 1,5-bisfosfat

Siklus Calvin

Reaksi total fotosintesis Reaksi terang 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6H+ + 48 foton → 6 O2 + 12 NADPH + 18 ATP + 6 H2O Reaksi gelap 6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6 H+ Total 6 CO2 + 6 H2O + 48 foton → C6H12O6 + 6 O2

Tanaman tropis (jalur C4) Suhu ↑, aktivitas oksigenasi > karboksilasi Harusnya fotorespirasi ↑ Bagaimana tanaman tropis seperti tebu bertahan? Solusi: jalur C4 Jalur C4 (oksaloasetat dan malat) yang membawa CO2 dari sel mesofil ke sel bundel pelepah tempat berlangsungnya fotosintesis

CO2 (sel mesofil) + ATP + H2O → CO2 (sel bundel pelepah) + AMP 2 Pi + H+ Reaksi gelap: 6 CO2 + 12 NADPH + 30 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 30 ADP + 18 Pi + 6 H+