Dasar-dasar Fisiologi Tumbuhan PNA 2200 A/E Didik Indradewa Eka Tarwaca Susila Putra

Sistem Perkuliahan Student centered learning : dibagi dalam kelompok diskusi, mahasiswa presentasi, ditambah materi dari dosen Research university : Research Based Learning dosen memberikan contoh hasil penelitiannya untuk bahan kuliah e Learning : bahan yang disiapkan dosen maupun penunjang dapat diakses lewat internet, diskusi lewat blog

Sistem Perkuliahan (lanjutan) Bahan dari dosen 1 (Didik Indradewa) digunakan untuk ujian sisipan Bahan dari dosen 2 (Eka Tarwaca, SP) dan hasil praktikum digunakan untuk ujian akhir Nilai ujian sisipan + akhir + praktikum + Presentasi : 4

Silabus Pengertian dan ruang lingkup fisiologi tumbuhan, sel dan organela sel, gerakan partilel berupa difusi, osmosis dan imbibisi. Peran air bagi tumbuhan, penyerapan dan pengangkutan air serta transpirasi. Dalam metabolisme dibahas tentang ensim, fotositesis dan respirasi. Fotosintesis mencakup reaksi cahaya, reaksi gelap dan faktor-faktor yang berpengaruh. Respirasi mencakup glikolisis, siklus Krebs faktor-faktor yang berpengaruh dan respirasi cahaya. Pengangkutan hasil fotosintesis, jalur dan teori pengangkutan.

Pustaka Devlin, R.M. and F.H. Witham. 1983. Plant Physiology. Salisbury, F.B. and C.W. Ross. 1978. Plant Physiology. Taiz, L. and E. Zeiger. 1998. Plant Physiology.

Jadual 2012 Pendahuluan Difusi, Osmosis, Imbibisi Mg Tgl Pokok Bahasan Dosen 1 21-2 Pendahuluan Didik 2 28-2 Difusi, Osmosis, Imbibisi 3 06-3 Serapan Air, Pengangkutan Air 4 13-3 Transpirasi 5 20-3 Enzim, Fotosintesis : Reaksi Cahaya 6 27-3 Fotosintesis : Reaksi Cahaya, Reaksi Gelap 7 03-4 FS : Reaksi Gelap, Faktor Berpengaruh

Jadual 2012 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 10-4 Ujian Tengah Semester Didik 9 17-4 10 24-4 Respirasi : Glikolisis, Siklus Krebs Eka 11 01-4 Respirasi : Faktor Berpengaruh 12 08-5 Presentasi 1 13 15-5 Presentasi 2 14 22-5 Presentasi 3 15 29-5 Presentasi 4 16 05-6 Presentasi 5 17 12-06 Presentasi 6

Pendahuluan

Pendahuluan Batasan Fisiologi Tumbuhan : ilmu yang membahas proses-proses yang terjadi di dalam tubuh tumbuhan pada tingkatan molekuler dan seluler Fisiologi Tanaman : ilmu yang membahas proses-proses yang terjadi di dalam tubuh tanaman pada tingkatan individu dan populasi Tanaman adalah tumbuhan yang dibudidayakan

Mengapa tumbuhan-tanaman perlu dipelajari ? Tumbuhan-tanaman mempunyai peran yang penting bagi kehidupan manusia

Peran Tumbuhan-Tanaman Sumber pangan

Sandang

Papan

Kosmetik

Jamu

Bahan Industri

Biodisel

Bioetanol

Keindahan dan Rekreasi

Daur hidrologi

Paru-paru Dunia

Faktor Berpengaruh thd Tanaman Genetik Iklim Air,Chya,Suhu,CO2 Tanaman Orgme Tan. Hma, Peny,Glm Proses Tanah Fisik, Kimia, Biol Fisiologis Macam, mekanisme. tempat Pertumbuhan Hasil

Pembahasan dalam Fisiologi Tumbuhan Macam proses : transpirasi, fotosintesis, respirasi dll Mekanisme proses : fotosintesis terdiri dari reaksi cahaya dan rekasi gelap Di mana terjadinya ; fotosintesis di dalam kloroplas Faktor yang berpengaruh : fotositesis dipengaruhi intensitas cahaya

Ilmu Pendukung Anatomi dan Morfologi : penyerapan air

reaksi cahaya dan gelap fotosintesis Fisika dan Kimia reaksi cahaya dan gelap fotosintesis

Matematik

Sel dan Organela

Difusi, Osmosis dan Imbibisi Gerakan Partikel Difusi, Osmosis dan Imbibisi

Gerakan Partikel CO2 O2 H2O Ion H2O

Tanaman bertambah besar ukurannya karena adanya bahan tambahan berupa partikel Partikel berupa ion atau molekul yang masuk dan keluar dari dalam tubuh tanaman Ion yang masuk antara lain berupa nutrisi misalnya NH4+, NO3- dll Molekul yang masuk misalnya : CO2 dan H2O Molekul yang keluar misalnya O2 dan H2O Masuk dan keluarnya partikel dengan proses gerakan partikel berupa difusi, osmosis dan imbibisi

Difusi gerakan partikel dari tempat dengan potensial kimia lebih tinggi ke tempat dengan potensial kimia lebih rendah karena energi kinetiknya sendiri sampai terjadi keseimbangan dinamis

Potensial kimia : energi bebas per mol Energi bebas : energi untuk melakukan kerja Energi kinetik : energi yang dimiliki partikel dengan suhu di atas 0o K untuk melakukan gerakan Keseimbangan dinamis : partikel tetap bergerak namun jumlah yang masuk seimbang dengan jumlah yang keluar, sehingga difusi berhenti

Laju gerakan partikel V = (8RT)1/2/ π M V = laju (cm/det) T = suhu K R = tetapan gas M = BM π = 3,14 Faktor yg mempengaruhi difusi 1. Suhu, makin tinggi difusi makin cepat 2. BM makin besar difusi makin lambat 3. Kelarutan dalam medium, makin besar difusi makin cepat 4. Beda potensial kimia, makin besar beda difusi makin cepat

Contoh Difusi Model A B 1. CO2 2x CO2 4x CO2 3x CO2 3x 2. CO2 2x, O22x CO2 4x CO2 3x, O21x CO2 3x, O21x

Difusi CO2, O2 dan H2O CO2 O2 H2O

Osmosis Osmosis : gerakan air dari potensial air lebih tinggi ke potensial air lebih rendah melewati membran selektif permeabel sampai dicapai keseimbangan dinamis

Sifat Membran Sifat membran solvent solut permeabel + + semi permeabel + - selektif permeabel + +/- impermeabel - - + = dapat lewat - = tidak Contoh membran : membran plasma, membran vakuola, membran kloroplas

Membran

Potensial Air Potensial air : energi bebas per mol air Ψ = Ψs + Ψp + Ψm satuan : atm, bar, Pa Ψ (potensial air) = - DTD (defisit tek difusi) Ψs (potensial solut) = -TO (tek osmosis) Ψp (potensial tekanan) = TT (tek turgor) Ψm (potensial matriks) = TI (tek imbibisi) DTD = TO - TT Di dalam sel Ψm kecil – diabaikan Di dalam benih Ψp kecil - diabaikan

Potensial Solut Potensial solut : penurunan energi bebas air dalam suatu larutan karena interaksi air dengan solut, dibanding dengan air murni Potensial air murni -> maksimal = 0 bar Larutan mempunyai potensial air < 0 atau negatif Larutan di tempat terbuka mempunyai Ψp = 0, sehingga Ψ = Ψs

Ψs = - m i R T TO = M R T m = molalitas i = derajat ionisasi ( sukrosa =1, Na Cl = 1,8 pada 20o C) R = tetapan gas = 22,7/273 bar T = suhu K = 0C + 2730

Faktor yang berpengaruh thd Ψs 1. Molallitas (konsentrasi), makin tinggi Ψs makin rendah 2. Derajat ionisasi, makin tinggi Ψs makin rendah 3. Derajat hidrasi, solut mudah mengikat air, Ψs rendah 4. Suhu, makin tinggi , Ψs makin rendah

Arah gerakan air Dari potensial air lebih tinggi ke potensial air lebih rendah Dari DTD lebih rendah ke DTD lebih tinggi Dari larutan dengan konsentrasi lebih rendah ke konsentrasi lebih tinggi Dari larutan lebih encer ke larutan lebih kental

Ketentuan dalam gerakan air Saat seimbang dinamik , potensial air atau DTD sama Bila salah satu bagian tidak terbatas misal lengas tanah, potensial air sama dengan bagian yang tidak terbatas Bila dua bagian terbatas , potensial air akhir merupakan rata-rata Potensial solut tidak berubah sampai potensial tekanan mencapai 0 bar

Sel A dalam Larutan B Keadaan awal Keseimbangan A. Ψ = Ψs+Ψp = -30 + 0 = -30 bar B. Ψ = Ψs+Ψp = -10 + 0 = -10 bar Keseimbangan = -30 + 20 = -10 bar

Sel A dengan Sel B Keadaan awal Keseimbangan A. Ψ = Ψs+Ψp = -14+4 = -10 bar B. Ψ = Ψs+Ψp A = -24+ 8 = -16 bar Keseimbangan = -14+1 = - 13 bar B. Ψ = Ψs+Ψp B = -24+11 = -13 bar

Hubungan Ψ, Ψs, Ψp Sel turgor penuh Ψ = Ψs + Ψp = -12,5 + 12,5 = 0 bar Sel mengempis, volume relatif 80% Ψ = Ψs+ Ψp = -14 + 0 = -14 bar

Mengukur potensial air Metode Gravimetri

Metode Chardakov

Pressure Bomb Scholander sampel manometer gas N2

Pengukuran potensial air

Mengukur potensial solut Jaringan berwarna misal daun Rhoediscolor dimasukkan larutan dengan konsentrasi berbeda, potensial solut jaringan = potensial solut larutan yang menyebabkan 50% jaringan mengalami plasmolisis

Potensial Tekanan Di dalam vakuola terdapat solut – menurunkan potensial solut – menurunkan potensial air – lebih rendah dari sekitar – terjadi endo osmosis – menyebabkan peningkatan potensial osmotik – vakoula membesar – membran plasma menekan dinding sel – tekanan turgor atau potensial tekanan

Plasmolisis Plasmolisis : proses terlepasnya membran plasma dari dinding sel karena sel berada pada lingkungan hipertonik ( potensial air lebih rendah, DTD lebih tinggi, larutan lebih pekat) – terjadi ekso osmosis – vakuola mengecil Bila dimasukkan ke dalam lingkungan hipotonik ( potensial air lebih tinggi ) - terjadi endo osmosis – deplasmolisis – sel segar kembali Lingkungan sama – isotonik

Plasmolisis

Imbibisi Imbibisi ; proses penyerapan solven oleh imbiban Contoh : penyerapan minyak oleh karet, penyerapan air oleh benih Imbibisi merupakan proses awal perkecambahan Syarat – ada beda potensial, ada tarik menarik antar molekul Di dalam benih ada koloid hidrofil berupa matriks : protein, pati selulose – menarik air Ψ = Ψm + Ψp Ψ benih dapat mencapai -1000 bar, akar -2 - -8 bar

Imbibisi benih

Imbibisi

Air

Peran air Penyusun protoplasma dan tubuh tanaman Mengaktifkan ensim Pereaksi : reaksi hidrolisis pati -> gula Meningkatkan respirasi Sumber hidrogen fotosintesis Pelarut dan pembawa senyawa Menjaga turgor Mengatur difusi solut Mengatur suhu melalui transpirasi Mendukung tumbuhan Menyebarkan benih

Penyusun Protoplasma dan Tubuh Tumbuhan

Perkecambahan Air mengaktifkan ensim α amilase Ensim memacu hirolisis pati menjadi gula Gula mengalami respirasi menghasilkan energi (ATP) untuk perkecambahan

Sumber H dalam Fotosintesis

Menurunkan suhu tumbuhan

Mendukung tumbuhan

Menyebar benih

Klasifikasi air secara biologis Air gravitasi : air yang turun karena gaya gravitasi bumi, berada pada pori makro, bergerak cepat tidak sempat diserap akar Air kapiler : air berada pada pori mikro, dapat diserap oleh akar Air higroskopis, terikat kuat oleh partikel tanah, tidak dapat diserap akar Air tersedia : air yang dapat di serap akar, batas atas kapasitas lapangan (-0,3 bar), batas bawah titik layu tetap (- 15 bar)

Air Tersedia

Penyerapan Air Organ penyerap air utama : akar

Mekanisme Penyerapan Air 1. Aktif : a. aktif osmotik : akumulasi solut - menurunkan Ψs –>Ψ lebih rendah sekitar, air masuk. Air mengalir dari Ψ lebih tinggi ke Ψ lebih rendah b. aktif non osmotik : energi respirasi. Air mengalir dari Ψ lebih rendah ke Ψ lebih tinggi 2. Pasif : transpirasi . Air mengalir dari Ψ lebih tinggi ke Ψ lebih rendah

Penyerapan pasif > aktif Tekanan akar tidak terjadi pada tanaman Gimnospermeae dan tanaman transpirasi cepat Air eksudasi hanya 5% air transpirasi Tanaman dengan tajuk menyerap air > dibanding tanpa tajuk (dipotong) Tumbuhan hydrofit menyerap air dari seluruh tubuh

Tekanan akar

Jalur pengangkutan air Mendatar : bulu akar/epidermis – korteks – endodermis – xylem Tegak : lewat xylem

Anatomi Akar

Jalur Pengangkutan Air

Jalur Pengangkutan Air

Faktor berpengaruh Faktor tanaman : transpirasi (+), perakaran (+), metabolisme (+) Faktor lingkungan : ketersediaan air (+), aerasi (+), konsentrasi larutan (-), suhu – optimum 30o C – lebih tinggi sel rusak – lebih rendah metabolisme, pemanjangan akar, difusi, permeabilitas membran turun, viskositas air , plasma dan koloid naik.

Transpirasi

Variasi Perakaran

Ketersediaan air x udara

Pengangkutan air Dilakukan melalui xylem dengan mekanisme Teori vital : terdapat pompa – ditolak karena dengan dimatikan pengangkutan air tetap terjadi Teori tekanan akar – ditolak : seperti dalam pembahasan pasif x aktif, tekanan akar maksimum 2 bar, hanya mampu mendorong air setinggi 20m

Xylem

(lanjutan) Teori fisika : imbibisi, kapiler, tekanan kohesi-tarikan transpirasi Teori tekanan kohesi-tarikan transpirasi. Kohesi : tarik menarik antar molekul sejenis – air. Adhesi : tarik menarik molekul berbeda – air dengan dinding xylem. Adanya kohesi dan adhesi terbenntuk kolom air sinambung dari tanah – akar – batang – daun. Transpirasi menurunkan Ψ daun lebih rendah dari Ψ batang – terjadi aliran air dari batang ke daun. Ψ batang menurun lebih rendah dari Ψ akar – terjadi aliran air dari akar ke batang dst.

Kohesi Ikatan Hidrogen Molekul air

Transpirasi

TRANSPIRASI

Definisi Proses hilangnya air dalam bentuk uap air dari jaringan hidup tanaman yang terletak di atas permukaan tanah melewati stomata, lubang kutikula, dan lentisel 80% air yang ditranspirasikan berjalan melewati lubang stomata, paling besar peranannya dalamtranspirasi

Perbedaan Transpirasi dengan evaporasi 1. proses fisiologis atau fisika yang termodifikasi 1. proses fisika murni 2. diatur bukaan stomata 2. tidak diatur bukaan stomata 3. diatur beberapa macam tekanan 3. tidak diatur oleh tekanan 4. terjadi di jaringan hidup 4. tidak terbatas pada jaringan hidup 5. permukaan sel basah 5. permukaan yang menjalankannya menjadi kering

Lubang stomata yang mengatur laju transpirasi

Stomata

Perbedaan Transpirasi dengan gutasi 1. terjadi pada siang hari 1. pada malam hari 2. air yang hilang berbentuk uap air 2. air yang keluar berbentuk cair 3. yang dilepaskan uap air murni 3. cairan mengandung solute, seperti gula dan garam 4. melewati stomata, kutikula, dan lenti sel 4. melewati hidatoda 5. terkendali oleh stomata 5. tidak terkendali 6. menurunkan suhu permukaan tanaman 6. tidak menurunkan suhu permukaan

Besarnya air yang tertranspirasi Sebagian besar air yang diserap tanaman ditranspirasikan Misal: tanaman jagung, dari 100% air yang diserap: 0,09% untuk menyusun tubuh, 0,01% untuk pereaksi, 98,9% untuk ditranspirasikan

Dampak negatif transpirasi Transpirasi dapat membahayakan tanaman jika lengas tanah terbatas, penyerapan air tidak mampu mengimbangi laju transpirasi, Ψw sel turun, Ψp menurun, tanaman layu, layu permanent, mati, hasil tanaman menurun Sering terjadi di daerah kering, perlu irigasi, meningkatkan lengas tanah, pada kisaran layu tetap – kapasitas lapangan

Peranan transpirasi Pengangkutan air ke daun dan difusi air antar sel Penyerapan dan pengangkutan air, hara Pengangkutan asimilat Membuang kelebihan air Pengaturan bukaan stomata Mempertahankan suhu daun

Mekanisme transpirasi

Macam transpirasi Stomater : 80-90% total transpirasi Kutikuler: 20% total transpirasi Lentikuler : 0,1% total transpirasi

Mekanisme bukaan stomata Teori perubahan pati menjadi gula Teori pengangkutan proton, K+ Bukaan stomata pada tanaman sukulen

Teori perubahan pati menjadi gula Siang hari terjadi fotosintesis, CO2 diserap, kandungannya dalam ruang antar sel menurun, pH naik (7), pati dalam sel penjaga terhidrolisis menjadi gula, Ψs sel penjaga turun, Ψw turun, endoosmosis di sel penjaga, Ψp naik, dinding sel penjaga tertekan ke arah luar, stomata terbuka

Teori pengangkutan proton (K+) Pada siang hari, saat fotosintesis di sel penjaga terbentuk zat antara fotosintesis yaitu asam malat, kemudian dipecah menjadi H+ dan ion malat, H+ keluar dari sel penjaga, kedudukannya digantikan K+, terjadi ikatan K+ dg ion malat membentuk kalium malat, Kmalat masuk ke vakuola sel penjaga dan menurunkan Ψs nya. Terjadi endoosmosis ke dalam sel penjaga, Ψp sel penjaga naik, turgor, dinding sel dari sel penjaga tertekan ke arah luar, stomata membuka

Bukaan stomata pada tanaman CAM Tanaman CAM membuka stomatanya malam hari, pada malam hari terjadi respirasi tidak sempurna dan KH diubah menjadi asam malat, dari respirasi tersebut CO2 tidak dilepaskan, tetap diikat, pH tetap tinggi (7), pati dalam sel penjaga dihidrolisis menjadi gula, Ψs nya menurun, terjadi endoosmosis, Ψp sel penjaga naik, turgor, dinding sel penjaga tertekan ke arah luar, stomata membuka

Faktor yang mempengaruhi laju transpirasi  Faktor lingkungan  Faktor tanaman kelembaban udara suhu kecepatan angin cahaya tekanan udara ketersediaan air tanah debu stomata: jumlah per satuan luas, letak stomata (permukaan bawah atau atas daun, timbul/tenggelam), waktu bukaan stomata daun: berbulu/tidak, warna daun(kandungan klorofil daun), posisinya menghadap matahari secara langsung atau tidak Mahasiswa akan membahas fenomena ini setelah jadi PR

Antitranspiran Senyawa kimia yang diberikan ke pada tanaman dengan tujuan untuk menurunkan laju transpirasi Mekanisme kerja: melalui penutupan lubang stomata oleh partikel tertentu maupun dengan mendorong berlangsungnya mekanisme fisiologis yang menyebabkan stomata menutup Harganya sangat mahal dan belum ada yang efektif untuk menurunkan laju transpirasi Cari tulisan tentang antitranspiran utk dikumpulkan minggu depan

Enzim

Enzim Enzim : senyawa organik yang dalam jumlah kecil memacu laju reaksi biokimia tanpa mempengaruhi keseimbangan reaksi Tata nama enzim berdasar substrat atau reaksi yang dikatalisir + ase, terdapat 6 golongan besar

Penggolongan Enzim Oksidoreduktase : mengkatalisir reaksi oksidasi-reduksi – oksalat oksidase, nitrat reduktase Transferase : mengkatalisir transfer – transaminase Hidrolase : menambah air pada bermacam ikatan mengakibatkan pecahnya substrat – protease, karbohidrase

Penggolongan enzim (lanjutan) Lisase : mengakibatkan pengambilan langsung suatu kelompok dari substrat non hidrolitik – fumarase, aldolase Isomerase : mengkatalisir perubahan isomer – isomerase, epimerase Ligase atau sintetase : mengkatalisir sintesis bermacam ikatan - tiokinase

Susunan Enzim Enzim Apoenzim Gugus Prostetik (Protein) (Bukan Protein) Koensim Kofaktor (Organik) (anorganik)

Koenzim Penting dalam Reaksi Oksidasi-reduksi NAD (nikotinamid adenin dinukleotid) NADP (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) FAD (flavin adenin dinukleotid) Cytokrom : Cyt a, Cyt a3, Cyt b, Cyt b6, Cyt c, Cyt f Plastokuinon, Plastosianin, Feredoksin ATP (adenosin tri fosfat) : senyawa berenergi tinggi

Koensim Penting

Koenzim Penting (lanjutan)

Enzim Penting

Enzim Penting (lanjutan)

Enzim Penting

Sifat Enzim Katalisator organik dalam jumlah sangat sedikit memacu laju reaksi tetapi tidak mempengaruhi keseimbangan reaksi

Sifat Enzim (lanjutan) Dihasilkan di protoplasma - melakukan kegiatan di dalam sel : endoenzim - melakukan kegiatan di luar sel : eksoenzim Sebagian besar endoenzim

Sifat Enzim (lanjutan) Merupakan molekul besar Merupakan koloid, mempunyai luas permukaan besar, bersifat hidrofil Bersifat peka, di inaktifasi semua faktor penyebab denaturasi protein – suhu, pH. Dapat bereaksi dengan asam maupun basa, dengan anion maupuk kation

Sifat Enzim (lanjutan) Dapat dipacu maupun dihambat Pengham bat : kompeti tif – susunan mirip substrat, non kompeti tif – merusak

Sifat Enzim (lanjutan) Ensim bersifat khas : terdapat hampir 700 enzim bereaksi dengan substrat khusus : teori kunci-gembok (key-lock)

Sifat Enzim (lanjutan) Menurunkan energi aktifasi

Faktor Berpengaruh terhadap Enzim Suhu : minimum 00, optimum 300, maksimum 38-400 C Logam : banyak enzim dipacu oleh ion logam : Mg, Mn dan Co Logam berat dapat menurunkan aktivitas enzim : Ag, Zn, Cu, Pb dan Cd pH : optimum masing-masing enzim berbeda : pepsin 2,0, amilase 7,0, tripsin 8,0

Fotosintesis

Fotosintesis Batasan : proses pembentukan karbohidrat dari CO2 dan air dan hasil sampingan O2 pada bagian tanaman berwarna hijau dengan bantuan sinar matahari cahaya 6 CO2 + 6 H2O  C6 H12O6 + 6 O2 klorofil

Organ Utama Fotosintesis : Daun

Organela Fotosintesis : Kloroplas Susunan : protein 40-50%, fosfolipida 25-30%, klorofil 5-10%, karotenoid 1-2%, RNA 5%, DNA sedikit Jaringan tiang : 36 kloroplas, jatringan bunga karang 20 kloroplas Terdiri dari grana – tempat reaksi cahaya dan stroma – tempat reaksi gelap Tiap kloroplas 40-60 grana Di dalam granum terdapat tylakoid, di dalamnya terdapat quantosom Dalam quantosom terdapat : klorofil, karotenoid, quinon dll

Kloroplas

Pikmen Fotosintesis : Klorofil

Spectrum Sinar Matahari

Serapan dan Penerusan Cahaya

Spektrum Penyerapan Cahaya Sinar matahari merambat dalam bentuk quanta atau foton Sinar matahari yang diserap pikmen fotosintesis = cahaya dengan panjang gelombang 400-800 nm

Ringkasan Reaksi 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 klorofil cahaya 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 klorofil O2 berasal dari H2O bukan CO2, diperlukan 12 molekul H2O 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Fotosintesis : reaksi oksidasi-reduksi , air di oksidasi, CO2 direduksi menjadi karbohidrat

Fotosintesis terdiri dari dua tahap reaksi : 1 Fotosintesis terdiri dari dua tahap reaksi : 1. Reaksi cahaya – memerlukan cahaya – berfungsi merubah energi matahari menjadi daya asimilasi – ATP dan NADPH2 2. Reaksi gelap – tidak memerlukan cahaya – berfungsi mereduksi CO2 menjadi karbohidrat dengan energi dari ATP dan NADPH2

Sistem Dua Pigmen PS I PS II

Sistem Dua Pigmen (lanjutan) Pigmen Sistem I (PS I) : terdiri dari klorofil a, klorofil b, karotenoid dengan pusat reaksi P 700. Setiap P 700 dikelilingi 300-400 klorofil, menyerap maksimum panjang gelombang 683 nm Pigmen Sistem II (PS II) : terdiri dari klorofil a kolofil b, pikobili protein dan karotenoid dengan pusat reaksi P 673, menyerap maksimum panjang gelombang 673 nm

Eksitasi Elektron Klorofil

Reaksi Cahaya Fotosintesis

Produksi Daya Asimilasi Daya asimilasi terdiri dari ATP dan NADPH2 Reduksi NADP menjadi NADPH2 disebut transpor elektron Produksi ATP disebut fotofosforilasi Ada tiga fotofosforilasi : non siklis, siklis dan pseudosiklis

Fotofosforilasi Nonsiklis PS II menyerap cahaya pada panjang gelombang 673 nm, e tereksitasi diterima oleh plastoquinon e berpindah ke sitokrom b6, sitokrom f dan plastosianin Sit b6 dan f mempunyai beda potenial reduksi cukup besar yaitu 0,044 v, energi dari e dapat untuk membentuk ATP e dari plastosianin diterima PS I PS I menyerap cahaya maksimum pada panjang gelombang 683 nm, elektron tereksitasi diterima oleh FRS e PS II tidak pernah kembali – fotofosforilasi non siklis

Fotofosforilasi Non Siklis (lanjutan) Z NADP+ Q Fe H2 Cyt b6 Fe 2e e o2 H2O2 2e Cyt f Cu CuZn PC PS I H2O+O2 Mn 2e PS II Mg, N, Fe Mg, N, Fe Fe H2O 1/2 O2 H2

Fotofosforilasi Non Siklis

Fotofosforilasi Non Siklis

Fotolisis Fotolisis proses peruraian air menjadi H+, e- dan O2 e dari air mengisi tempat e PS II yang kosong H2 untuk mereduksi NADP menjadi NADPH2 dan PQ menjadi PQH2 O2 dibebaskan ke udara

Fotolisis (lanjutan)

Fotofosforilasi Siklis Hanya melibatkan PS I Pembentukan ATP terjadi saat e berpindah dari feredoksin ke sitokrom b6 dan sitokrom f Karena e dari PS I kembali ke PS I disebut fotofosforilasi siklis

Fotofosforilasi Siklis

Reaksi Gelap – Reduksi CO2 Reaksi gelap : reduksi CO2 menjadi karbohidrat, tidak memerlukan cahaya, tetapi memanfaatkan daya asimilasi dari reaksi terang. Terdapat 3 tipe reaksi gelap : Siklus Calvin – siklus C3 Siklus Hatch and Slack – siklus C4 Siklus CAM

Siklus Calvin – Siklus C3 Senyawa yang menangkap CO2 (1 C) udara adalah RuBP (5 C) Enzim yang mengkatalisir Rubisco Dibentuk senyawa beratom 6 C yang tidak stabil Pecah menjadi 2 senyawa beratom 3 C – PGA Energi dari ATP dan NADPH2 Dibentuk glukosa Dibentuk kembali RuBP

Siklus Calvin – C3

Contoh Tanaman C3

Siklus Hatch and Slack – C4 Terdapat dua macam kloroplas : di sel mesofil dan seludang berkas pengangkutan

Anatomi Daun C4

Siklus C4 (lanjutan) CO2 (1C) masuk ke kloroplas mesofil ditangkap PEP (3C) membentuk as. oksaloasetat (4C) Selanjutnya ada 3 tipe :

C4 (lanjutan) 1. Oksalo asetat diubah menjadi malat, diangkut ke sarung berkas pengang kutan, dipecah menjadi piruvat dan CO2

C4 (lanjutan) Panicum maximum 2.Oksaloasetat diubah menjadi aspartat, diangkut ke sbp, diubah menjadi oksaloasetat, dipecah menjadi piruvat dan CO2

C4 (lanjutan) Atriplex spongiosa 3.Oksaloasetat diubah menjadi aspartat diangkut ke sbp, diubah menjadi malat, dipecah menjadi piruvat dan CO2

C4 (lanjutan) Piruvat diangkut kembali ke sel mesofil, diubah menjadi PEP PEP berperan menangkap CO2 udara CO2 yang dilepas dari senyawa masuk ke siklus Calvin (siklus C3)

Siklus C4 (lanjutan)

C4 (lanjutan)

Siklus CAM CAM (Crassula cean Acid Metabolism) Terjadi pada tanaman sukulen keluarga Crassulace ae : kaktus, anggrek, vanili

CAM (lanjutan) Malam hari stomata membuka, CO2 ditangkap oleh PEP, membentuk asam oksaloasetat diubah menjadi asam malat, disimpan di vakuola. Siang hari malat dipecah menjadi asam piruvat dan CO2, CO2 masuk siklus Calvin membentuk gula Piruvat diubah menjadi PEP kemudian pati. Pati disimpan, pada malam hari diubah menjadi PEP

Siklus CAM Malam Siang

Siklus CAM

Perbandingan C4 dengan CAM

Rangkuman Fotosintesis (C3)

Faktor Berpengaruh terhadap Fotosintesis Faktor Tanaman : klorofil, enzim, hormon, tahanan daun, genetik, umur daun Faktor Lingkungan : CO2,O2, cahaya, suhu, air, nutrisi

Faktor Tanaman Klorofil : pigmen penyerap cahaya, peninglkatan klorofil sampai batas tertentu meningkatkan fotosintesis

Faktor Tanaman Enzim : terdapat banyak enzim yang mempengaruhi fotosintesis Hormon : GA, sitokinin dan kinetin dapat memacu fotosintesis

Faktor Tanaman Tahanan daun : tahanan yang menghambat difusi CO2 – tahanan mesofil dan dan stomata

Faktor Tanaman Genetik : terdapat perbedaan antar golongan C3, C4 dan CAM, bahkan antar varietas

Faktor Lingkungan CO2 CO2 : bahan baku fotosintesis, kandungan udara 360 ppm, peningkatan sampai 1000 ppm dapat meningkatkan fotosintesis

Peningkatan hasil skala penelitian C4 : 0 - 10% C3 : 10 – 50% Kedelai : 350 -> 1350 ppm hasil meningkat 40 – 60% Padi 350 -> 2400 ppm 100% Tomat : 15-55%, selada 50-150%

Peningkatan hasil skala rumah kaca Teknologi pengkayaan CO2 : Jerman, Inggris, Amerika +/- 80 tahun Belanda : 10-20%, Inggris selada : 40%, Ohio : 60%. Indonesia : belum – berprospek -> bibit : sungkup plastik + pembuatan pupuk organik -> menghasilkan CO2 : teh

CO2 CO2 udara meningkat 0,45%/tahun = 1 – 1,5 ppm/tahun. Tahun 1800 : 280 ppm, 1958 : 314, 1984 : 350, 2050 : 660 ppm

Cahaya Intensitas Cahaya Pada daun tunggal C3 jenuh pada intensitas 10-40% cahaya penuh, C4 tidak pernah jenuh Tanaman suka naungan mempunyai fotosintesis jenuh pada intensitas cahaya lebih rendah

Panjang gelombang : Klorofil a dan b maksimal menyerap cahaya pada warna biru dan merah Fotosintesis maksimal juga pada warna merah dan biru

Panjang penyinaran Panjang penyinaran tergantung letak lintang dan letak matahari Hari panjang tidak meningkatkan laju fotosintesis per jam, namun meningkatkan per hari

Manipulasi Panjang Penyinaran

Suhu Fotosinte sis meningkat dengan peningkatan suhu dari 6o C sampai 39o C

Air, Oksigen dan Nutrisi Air mempunyai pengaruh besar secara tidak langsung karena pengaruh bukaan stomata Oksigen yang tinggi dapat menghambat fotosintesis terutama C3 N, Mg dan Fe mempengaruhi pembentukan klorofil; Cu merupakan komponen enzm fotosintesis, K mempengaruhi bukaan stomata

Pengangkutan Fotosintat

Pengangkutan fotosintat

Teori Munch Fotosintat hasil fotosintesis dipindahkan dari sel mesofil atau seludang berkas pengangkutan sebagai sumber (source) fotosintat ke dalam floem. Akumulasi fotosintat di floem menurunkan potensial solut dan potensial air floem. Terjadi osmosis dari xylem ke floem yang mengakibatkan peningkatan potensial tekanan.

Tekanan di dalam floem mengakibatkan aliran air dan fotosintat ke bagian floem lubuk (sink) yang mempunyai potensial tekanan lebih rendah. Aliran ini yang menyebabkan fotosintat terangkut dari sumber ke lubuk. Dari floem lubuk fotosintat diangkut dan disimpan di dalam lubuk

Respirasi

Respirasi Proses oksidasi senyawa organik menjadi CO2 dan H2O dengan menghasilkan energi C6H12O 6 + 6 O2 => 6CO2 + 6H 2O + 686 Kcal Terjadi di semua jaringan hdup terutama di tunas bunga dan daun, pucuk batang dan akar dan kecambah, di dalam mitokondria

Sel dan Mitokondria

Mitokondria

Perbedaan Respirasi dengan Fotosintesis O2 diserap Senyawa karbon kompleks dioksidasi menjadi CO2 Terjadi siang-malam Energi potensial diubah menjadi energi kinetik Bahan baku glukose dan O2 O2 dilepaskan CO2 direduksi menjadi senyawa karbon kompleks Terjadi siang Energi cahaya diubah menjadi energi potensial Bahan baku CO2 dan H2O

Perbedaan Respirasi dengan Fotosintesis Tidak memerlukan klorofil Terjadi di mitokondria Energi dilepaskan Menyebabkan penurunan berat 1 molekul glukose menghasilkan 38 ATP Memerlukan klorofil Terjadi di kloroplas Energi disimpan Menyebabkan peningkatan berat Untuk membentuk 1 molekul glukosa di perlukan 18 ATP

Peran Respirasi Mengubah energi potensial menjadi energi kinetik Menghasilkan energi untuk proses metabolisme dan pembelahan sel Membentuk senyawa antara penyusun sel Merubah senyawa tidak larut menjadi larut Melepaskan CO2 untuk daur karbon di alam

Senyawa Antara

Nisbah Respirasi Nisbah volume CO2 yang dilepaskan dan volume O2 yang digunakan vol CO2_ NR = ---------- vol O2 NR tergantung maam substrat atau jumlah oksigen dalam substrat

NR Karbohidrat C6H12O6 + 6 O 6 => 6 CO2 + 6 H2O CO2 6 Pada kandungan oksigen rendah respirasi aerob berubah menjadi respirasi anaerob C6H12O6 => 2C2H5OH + 2CO2 CO2 2 NR = ----- = ----- = ~ O2 0

NR Lemak Jarang terdapat di bagian vegetatif , banyak di biji Lemak dihidrolisis dahulu menjadi asam lemak dan gliserol Saat berkecambah lemak diubah menjadi karbohidrat Lemak sedikit mengandung oksigen, perlu banyak oksigen,

NR lemak (lanjutan) C51H98O6 + 145 O2 => 102 CO2 + 98 H2O CO2 102 NR = ----- = ----- = 0,7 O2 141 1g lemak menghasilkan energi 9,1 kal 1g karbohidrat menghasilkan 3,8 kal

Tipe Respirasi Berdasarkan ketersediaan oksigen respirasi dibagi dua : Respirasi aerob C6H12O6 + 6 O2 => 6CO2 + 6 H2O + 686 Kcal Respirasi anaerob C6H12O6 => 2 C2H5OH + 2 CO2 + 56 Kcal

Tipe Respirasi

Figure 5.5 (A). In the presence of oxygen, pyruvate is transferred into the mitochondrion, oxidized to carbon dioxide and water. In the absence of oxygen, mitochondrial respiration will shut down and metabolism shifts to fermentation.

Bahan untuk Respirasi Le mak Prote in Karbohidrat

Tahapan dan lokasi Respirasi

Figure 5.1 Cellular respiration is divided into three sequential pathways: (1) glycolysis, (2) the citric acid cycle, and (3) the electron transport chain.

Glikolosis Glycolysis take place in the cell cytoplasm. The result is : to convert one molecule of glucose (C6) into two molecules of pyruvic acid (C3). There is no loss of carbon dioxide and a minimal yield of ATP.

Perubahan Pirufat menjadi Asetil Ko A Sebelum masuk ke Siklus Krebs, Piruvat diubah menjadi Asetyl Co-A

Perubahan piruvat menjadi Asetil Ko A

Tahap 2 : Siklus Krebs (senyawa)

Siklus Krebs (enzim dan energi) IDH : Isositrat Dehidrogenase

Tahap 3 : Trafer Elektron

Jumlah ATP Respirasi

Faktor Tanaman berpengaruh terhadap Respirasi Faktor protoplasmik : sel muda vakuola lebih kecil, protoplasma lebih banyak dg enzim lebih banyak respirasi lebih cepat Konsentrasi substrat : kandungan meningkat, respirasi lebih cepat

Faktor Lingkungan Suhu : 0o – 45o C peningkatan suhu meningkatkan rspirasi, optimal 30o C. Suhu tinggi : 1.difusi CO2 dan O2 lebih lambat dari respirasi, 2. substrat jadi faktor pembatas. Suhu rendah : dipergunakan untuk penyimpanan produk hortikultura Cahaya : peningkatan cahaya meningkatkan respirasi – tidak langsung karena 1. fotosintesis meningkat, substrat lebih tersedia, 2. meningkatkan suhu, 3.membuka stomata untuk difusi

Lingkungan (lanjutan) Oksigen atmosfer : menurun dari 21% menjadi 1%, di bawah itu terjadi respirasi anaerob CO2 : meningkat, respirasi menurun. Teknologi penyimpanan produk hortikultura dalam atmosfer terkendali Air : medium respirasi, peningkatan kandungan air memacu respirasi. Umbi dan biji disimpan pada kadar air rendah agar lebih tahan

Lingkungan (lanjutan) Pelukaan : mula-mula memacu respirasi, di bagian luka pati diubah jadi gula, selanjutnya normal Pengaruh mekanik – gosokan dsb : meningkatkan respirasi Zat penghambat enzim : menurunkan laju respirasi

Fotorespirasi Saat ada cahaya, respirasi 3-5 kali saat gelap – ada respirasi cahaya

Fotorespirasi

rubisco, initiates carbon fixation in the Calvin cycle; it also combines with oxygen to initiate photorespiration. The active site of rubisco cannot distinguish the two similar substrates: O=C=O and O=O. rubisco affinity for carbon dioxide 80 times higher than for oxygen. However, low CO2 (350 ppm) to O2 (20%), photorespiration 30% Calvin cycles.

In chloroplast, rubisco, combines with (RuBP) and oxygen In chloroplast, rubisco, combines with (RuBP) and oxygen. five-carbon RuBP split into two-carbon 2-phosphoglycolate and three-carbon 3-phosphoglycerate (PGA). 2-phosphoglycolate is converted to glycolate in chloroplast, transported into peroxisome glycolate oxidized by oxygen to glyoxylate and hydrogen peroxide > converted to water and oxygen

glyoxylate converted to glycine in peroxisome > transported mitochondrion.

Perbedaan Respirasi Gelap Repirasi Cahaya Substrat : kh, prot, lemak baru/cadangan Di sitoplasma dan mitokondria Tidak terbentuk H2O2 Terbentuk ATP NAD => NADH2 Tidak tergantung O2 Di semua sel hidup Siang dan malam C3 dan C4 Substrat : glikolat baru Di kloroplas perok -sisom dan miokondria Terbentuk H2O2 Tidak terbentuk ATP NADH2 => NAD Tergantung O2 Sel hijau Saat ada cahaya C3

Perbedaan Anatomi

C4

C4 Mempunyai fotorespirasi rendah Fotosintesis terjadi di kloroplas mesofil – siklus C4 dan di kloroplas seludang berkas pengangkutan yang tersembunyi – siklus C3. Pada Siklus C3, RuBp bergabung dengan CO2 dari malat yang pecah menjadi piruvat dan CO2. Tidak ada O2, - fotorespirasi tidak terjadi.

Selamat Belajar