TOPIK 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPANweb.ipb.ac.id/~tpb/files/materi/pip/kuliah PIP topik 7-05.pdf · FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN TIK : Setelah mengikuti kuliah ini, anda

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..


EnergiEnergi

EnergiEnergi SuryaSurya / / EnergiEnergi ElektromagnetikElektromagnetikEnergiEnergi MekanikMekanikEnergiEnergi PanasPanas MatahariMatahariEnergiEnergi GeotermalGeotermal / / PanasPanas BumiBumiEnergiEnergi GravitasiGravitasiEnergiEnergi NuklirNuklir


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


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


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


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


Pemanenan enargi surya

Bahan organik

Energi KimiaOksigen

Matahari

MakananPakaian Perumahan

Obat

KosmetikBahan bakar

dll.


Sejarah Fotosintesis


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


Fotosintesis

Fotosintesis melibatkan tumbuh-tumbuhan yang ada di darat, perairan air

tawar maupun lautan


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


Fotosintesis: proses oksidasi reduksi

Cahaya Matahari

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Reduksi

Oksidasi


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


Fotosintesis

Reaksi terang

Reaksi gelap

ATP NADPH

ADP+Pi NADP+

Reaksi terang(Dalam Grana)

Cahaya

H2O

O2

CO2

Gula

Reaksi Gelap(dalam stroma)


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


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


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


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


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


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


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


Berdasarkan metabolisme fotosintesis dan anatomi daunnya tumbuhan dikelompokkan ke dalam 3 grup:

Tumbuhan C3

Tumbuhan C4

Tumbuhan CAM

Tumbuhan C3, C4 dan CAM


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


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


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


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


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


COCO22

SiklusCalvin

GulaGula

MalatMalat

COCO22

PiruvatPiruvat

PiruvatPiruvat

MalatMalat


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


Pemanasan global akibat efek rumah kaca dari CO2 di atmosfir

Radiasi cahaya yang terperangkap oleh CO2


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%


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


Documents

TOPIK 7 : FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPANweb.ipb.ac.id/~tpb/files/materi/pip/kuliah PIP topik 7-05.pdf · FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN TIK : Setelah mengikuti kuliah ini, anda