Struktur dan fungsi jaringan dan organ tumbuhan, Respirasi dan fotosintesis Pertemuan ke-6 dan 7

JARINGAN DEWASA Jaringan pernanen/dewasa merupakan kelompok sel tumbuhan yang berasal dari pembelahan sel - sel meristem dan telah mengalami pengubahan bentuk yang disesuaikan dengan fungsinya (Diferensiasi). Jaringan dewasa ada yang sudah tidak bersifat meristematik lagi (sel penyusunnya sudah tidak membelah lagi) sehingga disebut jaringan permanen

Jaringan permanen/dewasa pada tumbuhan berfungsi antara lain : 1. Jaringan epidermis, melindungi jaringan yang berada didalamnya. 2. Jaringan parenkim palisade, tempat penyelenggara fotosintesis. 3. Jaringan parenkim spons, selain sebagai tempat fotosintesis juga tempat penyimpan hasil fotosintesis. 4. Jaringan kolenkim, jaringan penguat pada organ tubuh tumbuhan yang muda. 5. Berkas pembuluh atau berkas vaskuler daun yaitu floem dan xilem terdapat pada ibu tulang daun. 6. Xilem , mengangkut air dan mineral dari dalam tanah melalui akar sampai daun. 7. Floem, mengangkut hasil fotosintesis dari daun keseluruh tubuh tumbuhan.

JARINGAN EPIDERMIS Jaringan epidermis yaitu jaringan yang terletak paling luar pada setiap organ  tumbuhan ( akar, batang dan daun, bunga, buah, dan biji ). Ciri-ciri jaringan epidermis adalah: - Tersusun dari sel-sel hidup. - Terdiri atas satu lapis sel tunggal. - Beragam bentuk, ukuran dan susunannya, tetapi biasanya tersusun rapat tidak ada ruang antar sel. - Tidak memiliki klorofil. - Dinding sel jaringan epidermis bagian luar yang berbatasan dengan udara mengalami penebalan , sedangkan dinding sel jaringan epidermis bagian dalam yang berbatasan dengan jaringan lain dinding selnya tetap tipis. - Mengalami modifikasi membentuk derivat jaringan epidermis, misal stomata, trikomata (rambut-rambut), spina (duri), vilamen , sel kipas, sel kersik (sel silika).

JARINGAN PARENKIM Jaringan Parenkim merupakan jaringan dasar yang terdapat diseluruh organ tumbuhan. Disebut sebagi jaringan dasar karena sebagai penyusun sebagian besar jaringan pada akar, batang, daun, bunga, buah dan biji. Ciri-ciri jaringan parenkim adalah : -Terdiri dari sel-sel hidup yang berukuran besar dan berdinding tipis. -Bentuk sel parenkim segi enam. -Memiliki banyak vakuola. -Mampu bersifat meristematik. -Memiliki ruang antar sel sehingga letaknya tidak rapat. Berdasarkan fungsinya jaringan parenkim dibedakan menjadi beberapa macam antara lain: Parenkim asimilasi (klorenkim) adalah sel parenkim yang mengandung klorofil dan berfungsi untuk fotosintesis. Parenkim penimbun adalah sel parenkim ini dapat menyimpan cadangan makanan yang berbeda sebagai larutan di dalam vakuola, bentuk partikel padat, atau cairan di dalam sitoplasma. Parenkim air adalah sel parenkim yang mampu menyimpan air. Umumnya terdapat pada tumbuhan yang hidup didaerah kering (xerofit), tumbuhan epifit, dan tumbuhan sukulen. Parenkim udara (aerenkim) adalah jaringan parenkim yang mampu menyimpan udara karena mempunyai ruang antar sel yang besar. Aerenkim banyak terdapat pada batang dan daun tumbuhan hidrofit.

JARINGAN PENYOKONG Jaringan penyokong  merupakan jaringan yang berperan untuk menunjang bentuk tumbuhan agar dapat berdiri dengan kokoh. Disebut juga jaringan penguat karena memiliki dinding sel yang tebal dan kuat serta sel-selnya yang telah mengalami spesialisasi. Jaringan penyokong terdiri dari jaringan kolenkim dan jaringan sklerenkim. Jaringan kolenkim yaitu jaringan penyokong  atau penguat pada organ tubuh muda. Kolenkim tersusun atas sel-sel hidup dengan protoplasma yang aktif. Sel kolenkim dapat mengandung kloroplas, makin sederhana deferensiasinya makin banyak kloroplasnya, sehingga menyerupai parenkim.

JARINGAN PENYOKONG Jaringan Sklerenkim merupakan jaringan penyokong yang terdapat pada organ tubuh tumbuhan yang telah dewasa. Jaringan sklerenkim tersusun oleh sel-sel mati yang seluruh bagian  dindingnya mengalami penebalan sehingga kuat, sel-selnya lebih kaku daripada sel kolenkim, sel sklerenkim tidak dapat  memanjang. Sel sklerenkim dibedakan menjadi  dua bentuk yaitu serat (fiber) dan sklereid.  

JARINGAN PENGANGKUT Jaringan pengangkut atau berkas vaskuler merupakan jaringan yang berperan untuk mengangkut air dan unsur hara dari akar sampai daun, serta mengangkut hasil fotosintesis dari daun keseluruh bagian tubuh tumbuhan. Berdasarkan fungsinya jaringan pengangkut pada tumbuhan terdiri dari xilem dan floem. Xilem atau pembuluh kayu adalah jaringan kompleks yang terdiri atas beberapa tipe sel yang dindingnnya mengalami penebalan dari zat kayu. Xilem tersusun oleh parenkim xilem, serabut xilem, trakeid, dan unsur pembuluh.

JARINGAN PENGANGKUT Floem atau pembuluh tapis merupakan jaringan yang tersusun oleh sel-sel hidup dengan tipe yang berbeda. Floem tersusun oleh  parenkim floem, serabut floem, pembuluh tapis, sel pengiring (hanya terdapat pada Angiospermae ). Floem juga dikenal sebagai pembuluh tapis, yang membentuk kulit kayu pada batang. Unsur penyusun pembuluh floem terdiri atas dua bentuk, yaitu: sel tapis (sieve plate) berupa sel tunggal dan bentuknya memanjang dan buluh tapis (sieve tubes) yang serupa pipa. Dengan bentuk seperti ini pembuluh tapis dapat menyalurkan gula, asam amino serta hasil fotosintesis lainnya dari daun ke seluruh bagian tumbuhan.

FOTOSINTESIS Proses yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia

Fotosintesis terjadi di kloroplas Daun pada tanaman merupakan tempat utama terjadinya fotosintesis Vein Leaf cross section Mesophyll CO2 O2 Stomata

powers most cellular work Light energy ECOSYSTEM CO2 + H2O Photosynthesis in chloroplasts Cellular respiration in mitochondria Organic molecules + O2 ATP powers most cellular work Heat energy Energi mengalir ke dalam suatu ekosistem sebagai cahaya matahari dan meninggalkannya dalam bentuk panas

Fotosintesis Proses dimana organisme yang memiliki kloroplas mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimia Melibatkan 2 lintasan metabolik Reaksi terang: mengubah energi matahari menjadi energi seluler Siklus Calvin: reduksi CO2 menjadi CH2O

Light Chloroplast Calvin cycle reactions Cellular respiration NADP ADP + P RuBP 3-PGA reactions Calvin cycle Electrons G3P Cellular respiration Cellulosse Starch Other organic compounds

Persamaan Fotosintesis Fotosintesis 6CO2 +6H20 + light  C6H1206 + 6O2

Pada fotosintesis Reduksi CO2 menjadi karbohidrat melalui oksidasi carrier energi (ATP, NADPH) Reaksi terang memberi energi pada carrier Reaksi gelap (siklus Calvin) menghasilkan PGAL (phosphoglyceraldehyde) Fotosintesis terdiri dari dua proses yaitu -Reaksi terang -Siklus Calvin

Struktur kloroplas Chloroplast Mesophyll 5 µm Outer membrane Intermembrane space Inner Thylakoid Granum Stroma 1 µm Tilakoid adalah sistem membran dalam kloroplas (tempat terjadinya reaksi terang). Memisahkan kloroplas menjadi ruang tilakoid dan stroma Grana kumpulan tilakoid dalam kloroplas Stroma: daerah cair antara tilakoid dan membran dalam tempat terjadi siklus Calvin

cahaya Energi elektromagnetik bergerak dalam bentuk gelombang Terdapat hubungan yang berbalik antara panjang gelombang dengan energi Panjang gelombang tinggi maka energi rendah

Spektrum tampak -termasuk warna-warna cahaya yang dapat kita lihat -termasuk panjang gelombang yang menjalankan fotosintesis

Pigmen -Substansi yang menyerap cahaya tampak -Menyerap kebanyakan panjang gelombang tetapi paling sedikit menyerap panjang gelombang hijau Pigmen Klorofil a Klorofil b Karotenoid Karotene Xantofil

Spektrum aksi pigmen Efektivitas relatif panjang gelombang yang berbeda dalam menjalankan fotosintesis (measured by O2 release) Rate of photosynthesis Action spectrum. Plot antara kecepatan fotosintesis vs panjang gelombang. Sepktrum aksi mewakili spektrum absorpsi klorofil a tetapi tidak benar-benar tepat. Hal ini karena penyerapan cahaya oleh pigmen aksesoris seperti klorofil b dan karotenoid.

Spektrum aksi fotosintesis Ditunjukkan oleh Theodor W. Engelmann 400 500 600 700 Aerobic bacteria Filament of alga Engelmann‘s experiment. Tahun 1883, Theodor W. Engelmann menyinari alga filamen dengan cahaya yang telah dilewatkan ke prisma, sehingga segmen yang berbeda dari alga mendapat panjang gelombang yang berbeda. Digunakan bakteri aerob yang terkonsentrasi dekan sumber oksigen untuk menentukan segmen alga yang paling banyak mengeluarkan O2. Bakteri berkumpul dalam jumlah besar disekitar alga yang mendapat cahaya biru-violet dan merah. cahaya biru-violet dan merah paling efektif dalam fotosintesis

Klorofil a Klorofil a adalah pigmen yang secara langsung berpartisipasi dalam reaksi terang Pigmen lain menambahkan energi ke klorofil a Penyerapan cahaya meningkatkan elektron ke orbital energi yang lebih tinggi

Klorofil tereksitasi oleh cahaya Saat pigmen menyerap cahaya Klorofil tereksitasi dan menjadi tidak stabil Excited state Energy of election Heat Photon (fluorescence) Chlorophyll molecule Ground e–

Fotosistem Kumpulan pigmen dan protein yang berasosiasi dengan membran tilakoid yang memanen energi dari elektron yang tereksitasi Energi yang ditangkap ditransfer antara molekul fotosistem sampai mencapai molekul klorofil pada pusat reaksi

Pada pusat reaksi terdapat 2 molekul Klorofil a Akseptor elektron primer Pusat reaksi klorofil dioksidasi dengan hilangnya elektron melalui reduksi akseptor elektron primer Terdapat fotosistem I dan II Membran tilakoid Terdapat 2 tipe fotosistem yaitu fotosistem I dan II

Aliran elektron Terdapat dua rute jalur elektron yang tersimpan pada akseptor elektron primer Kedua jalur Dimulai dengan penangkapan energi foton Menggunakan rantai transport elektron dengan sitokrom untuk kemiosmosis Aliran elektron nonsiklik Menggunakan fotosistem II dan I Elektron dari fotosistem II dihilangkan dan diganti oleh elektron yang didonasikan oleh air Mensintesis ATP dan NADPH Donasi elektron mengkonversi air O2 dan 2H+ Aliran elektron siklik Hanya menggunakan fotosistem I Elektron dari fotosistem I di-recycle Mensintesis ATP

Nonsiklik Menghasilkan NADPH, ATP, dan oksigen

Aliran siklik Hanya fotosistem I yang digunakan Hanya ATP yang dihasilkan

Reaksi terang dan kemiosmosis: Organisasi membran tilakoid LIGHT REACTOR NADP+ ADP ATP NADPH CALVIN CYCLE [CH2O] (sugar) STROMA (Low H+ concentration) Photosystem II H2O CO2 Cytochrome complex O2 1 1⁄2 2 Photosystem I Light THYLAKOID SPACE (High H+ concentration) Thylakoid membrane synthase Pq Pc Fd reductase + H+ NADP+ + 2H+ To Calvin cycle P 3 H+ 2 H+ +2 H+

Siklus Calvin memiliki 3 tahap Siklus Calvin menggunakan ATP dan NADPH untuk mengkonversi CO2 menjadi gula Siklus calvin Terjadi di stroma Siklus Calvin memiliki 3 tahap Fiksasi karbon Reduksi Regenerasi akseptor CO2

Siklus Calvin Input Light 3 CO2 CALVIN CYCLE (Entering one at a time) (G3P) Input (Entering one at a time) CO2 3 Rubisco Short-lived intermediate 3 P P Ribulose bisphosphate (RuBP) 3-Phosphoglycerate 6 P 6 1,3-Bisphoglycerate 6 NADPH 6 NADPH+ Glyceraldehyde-3-phosphate 6 ATP 3 ATP 3 ADP CALVIN CYCLE 5 1 G3P (a sugar) Output Light H2O LIGHT REACTION ATP NADPH NADP+ ADP [CH2O] (sugar) CALVIN CYCLE O2 6 ADP Glucose and other organic compounds Phase 1: Carbon fixation Phase 3: Regeneration of the CO2 acceptor (RuBP) Phase 2: Reduction

Siklus Calvin Dimulai dari CO2 dan menghasilkan Glyceraldehyde 3-phosphate Tiga bagian siklus Calvin menghasilkan 1 produk molekul Tiga tahap Fiksasi karbon Reduksi CO2 Regenerasi RuBP

Bentuk gula 6C pecah menjadi 3-phosphoglycerate Sebuah molekul CO2 dikonversi dari bentuk inorganiknya menjadi molekul organik (fixation) melalui pengikatan ke gula 5C (ribulose bisphosphate atau RuBP). Dikatalisasi oleh enzim RuBP carboxylase (Rubisco). Bentuk gula 6C pecah menjadi 3-phosphoglycerate

Tiap molekul 3-phosphoglycerate menerima tambahan grup fosfat membentuk 1,3-Bisphosphoglycerate (fosforilasi ATP) NADPH dioksidasi dan elektron yang ditransfer ke 1,3-Bisphosphoglycerate memecah molekul dengan tereduksi menjadi Glyceraldehyde 3-phosphate

Tahap terakhir dari siklus ini adalah regenerasi RuBP Glyceraldehyde 3-phosphate dikonversi menjadi RuBP melalui sebuah seri reaksi yang melibatkan fosforilasi molekul oleh ATP

Tanaman C4 Tanaman C4 meminimalkan keperluan fotorespirasi dengan cara menggabungkan CO2 ke dalam senyawa empat karbon di sel mesofil Senyawa empat karbon tersebut Dieksport ke sel berkas pembuluh, dimana CO2 dilepaskan yang digunakan dalam siklus Calvin

Anatomi daun C4 dan jalur C4 CO2 Mesophyll cell Bundle- sheath cell Vein (vascular tissue) Photosynthetic cells of C4 plant leaf Stoma Mesophyll C4 leaf anatomy PEP carboxylase Oxaloacetate (4 C) PEP (3 C) Malate (4 C) ADP ATP Sheath Pyruate (3 C) CALVIN CYCLE Sugar Vascular tissue

Tanaman CAM Membuka stomatanya pada malam hari, menggabungkan CO2 ke dalam asam organik Selama siang hari, stomata tertutup CO2 dilepaskan dari asam organik untuk digunakan dalam siklus Calvin

Jalur CAM mirip dengan jalur C4 Spatial separation of steps. In C4 plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in different types of cells. (a) Temporal separation of steps. In CAM plants, carbon fixation and the Calvin cycle occur in the same cells at different times. (b) Pineapple Sugarcane Bundle- sheath cell Mesophyll Cell Organic acid CALVIN CYCLE Sugar CO2 C4 CAM CO2 incorporated into four-carbon organic acids (carbon fixation) Night Day 1 2 Organic acids release CO2 to Calvin cycle

RESPIRASI Proses Pembongkaran (katabolisme/disimilasi) gula heksosa (hasil fotosintesis) untuk menghasilkan energi guna proses-proses kehidupan tanaman (sintesis (anabolisme), gerak, dan Pertumbuhan) yang di bantu oleh enzim-enzim pernafasan C6H12O6 + 6O2 -------- 6 CO2 + 6 H2O + 675 kal

Respirasi di bantu oleh enzim2 pernafasan (terdapat di dalam mitokondria), yaitu : 1. Transposporilase  mengoper H3PO4 dari satu molekul ke molekul lainnya. Dlm proses di bantu ion Mg2+. 2. Desmolase  membantu pemindahan / pengguabungan ikatan2 karbon, spt aldolase dlm pemecahan fruktosa menjadi gliseraldehid dan dihidroksiaseton 3. Karboksilase  perubahan asam organik secara bolak balik & dibantu oleh ion-ion Mg2+ , Spt: Asam piruvat - asetaldehida asam oksalosuksinat -- asam-alpha-ketoglutarat

Hidrase  menmbahi atau mengurangi air dari suatu senyawa dgn tidak mengurai senyawa tersebut. Enzim2 yg termasuk golongan Hidrase : Enolase, Fumarase, Akonitase Dehidrogenasi  Pemindahan hidrogen dari satu zat ke zat yg lain Oksidase  mempergiat penggabungan O2 pd dgn suatu substrat sekaligus mereduksi O2 sehingga menghasilkan H2O Peroksidase  Mengoksidasi senyawa2 fenolat. O2 yg digunakan diambil dari H2O2 Katalase  Mengubah hidrogen peroksida menjadi air dan oksgen

Reaksi pembongkaran glukosa sampai menjadi H20 + CO2 + Energi, melalui tiga tahap : 1. Glikolisis. 2. Daur Krebs. 3. Transpor elektron respirasi.

Glikolisis Glikolisis merupakan tahap pertama dalam reaksi respirasi.  Tahap ini berlangsung di dalam sitoplasma sel. Molekul Gukosa (6-karbon) dipecah menjadi 2 buah senyawa asam 3-karbon yaitu asam piruvat.  Dari setiap pemecahan satu ikatan karbon-karbon, dihasilkan energi metabolik.  Apabila tidak ada oksigen, asam piruvat mengalami reaksi anaerob (fermentasi).  Apabila terdapat oksigen yang cukup, asam piruvat bergerak ke dalam mitokondria masuk ke dalam Siklus Krebs

1. Glikolisis Sifat2 Peristiwa glikolisis : Dapat berlangsung dalam keadaan aerob & anaerob Adanya kegiatan enzim-enzim, ATP & ADP Peranan ATP & ADP adalah mentransfer pospat dari satu molekl ke molekul yg lain Jadi hasil dari glikolisis : - molekul asam piravat. - molekul NADH yang berfungsi sebagai sumber elektron berenergitinggi. - molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.

Asam 2 pospoenol piruvat aerob Reaksi Glikolisis Glukosa Fruktosa -1,6dipospat (6 atom C) Glukosa-6 pospat ATP ADP Enzim heksosinase & Mg2+ 3-pospo-gliseraldehid (3 atom C) Dihidroksiaseton-pospat Enzim aldolase pospotrio saisomerase Asam Piruvat anaerob ADP Transposporilase pospopiruvat & Mg2+, K+ H3PO4 ATP 1,3-dipospo-gliseraldehid NAD dehidrogenase Transposporilase pospogliserat & Mg2+ NADH2 Asam 1,3 dipospogliserat Asam 3 pospogliserat ADP ATP Enzim enolase & Mg2+ Pospoglisero mutase Asam 2 pospoenol piruvat H2O Asam 2 pospogliserat

Fermentasi Anaerob Fermentasi anaerob berlangsung di dalam sitosol sitoplasma, dan hanya terjadi apabila tidak ada oksigen.  Asam piruvat hasil dari glikolisis dipecah menjadi etanol (senyawa dengan 2 atom C) dan CO2 ; pemecahan ini terjadi untuk setiap asam piruvat yang dihasilkan dari reaksi glikolisis. ATP dihasilkan dari setiap pemecahan ikatan karbon-karbon. Meskipun demikian, masih tersisa satu ikatan karbon-karbon dalam ethanol yang tidak dipecah, sehingga fermentasi anaerob menghasilkan respirasi yang tidak lengkap dari sebuahmolekul glukosa.   Reaksi ini menghasilkan energi yang hanya cukup untuk kehidupan mikroorganisme; sedangkan tanaman tingkat tinggi dan hewan akan mati apabila melakukan respirasi anaerob dalam waktu yang lama.

Asam Piruvat dalam respirasi anaerob Respirasi aerob CO2 + H2O + energi Bakteri asam susu Asam Piruvat CH3.CO.COOH asam susu + NAD + energi (CH3.CHOH.COOH) Respirasi anaerob Dehidrogenase + NAD.H2 Karboxilase piruvat Asetaldehida CH3.CHO + CO2 Etanol + NAD + energi (CH3.CH2.OH) Bakteri asam cuka Asam cuka + energi

Siklus Krebs (TCA Cycle) Siklus Krebs terjadi apabila ada oksigen dan berlangsung di dalam matriks mitokondria.   Asam piruvat dari reaksi glikolisis kehilangan CO2 , kemudian bereaksi dengan senyawa dengan 4-karbon (asam oksalo asetat) membentuk senyawa dengan 6-karbon (asam sitrat).  Asam sitrat mengalami pemecahan menjadi senyawa asam dengan 5-karbon , kemudian menjadi senyawa asam dengan 4-karbon , megalami pemecahan ikatan karbon-karbon , melepaskan CO2 dan menhasilkan energi metabolik (ATP, NADH dan FADH2) untuk setiap pemecahan.  Senyawa asam dengan 4-karbon acid dibentuk kembali, dan siklus berlansung kembali.  Siklus berjalan 2 kali untuk setiap 1 molekul glukosa (satu siklus untuk setiap 1 molelul asam piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis).

Sistem Sitokrom Bentuk energi metabolik yang paling berguna bagi tanaman adalah ATP. Berbagai macam energi metabolik yang dihasilkan melalui Glikolisis dan siklus Krebs bergerak menuju membran dalam mitokondria.  Di dalam membran mitokondria berlangsung rantai transpor elektron yang disebut sistem sitokrom, yang sangat mirip dengan rantai transpor elektron pada Fotosintesis.   Senyawa energi metabolik (NADH and FADH2) menyumbangkan elektronnya pada “electron transport carriers” dalam rantai transpor elektron, dihasilkan gradien energi, dan enzim pengahsil ATP (ATPase) .  Oksigen berperan sebagai penangkap elektron terakhir dan bereaksi dengan ion H+ untuk menghasilkan air.

(Sistem Sitokrom) NADH dan FADH2 e- ATP e- 4e- + 4H+ + O2 2H2O H+ H+ cyt. oxidase

Secara Keseluruhan Sekarang tanaman telah mengkonversi seluruh energi yang tersimpan dalam ikatan karbon-karbon dari glukosa kembali menjadi berbagai senyawa energi metabolik yang diperlukan untuk metabolisme. Tanaman dapat menggunaan NADH atau FADH2 baik secara langsung atau diubah dahulu menjadi ATP untuk keperluan metabolisme.  Ingat, bentuk energi metabolik ini tidak mudah untuk disimpan atau di angkut, sehingga respirasi harus berlangsung di setiap sel dan harus berlangsung pada saat yang tepat yaitu pada saat energi metabolik diperlukan.

3 Tahap Respirasi Glikolisis Dalam sitoplasma Ada atau tidak ada oksigen memecah glukosa (6C) menjadi 2 asam piruvat (3C) Siklus Krebs (TCA Cycle) Matriks mitokondria Hanya apabila ada oksigen Mengubah as.piruvat via asetil KoA menjadi CO2; menghasilkan NADH dan FADH2 Sistem Sitokrom Membran mitokondria = krista mentransfer elektron dari NADH dan FADH2 untuk mereduksi O2 menjadi H2O dan menghasilkan ATP

Respirasi