TOPIK7: FOTOSINTESIS DAN ENERGI KEHIDUPAN

TOPI K 7 :
FOTOSI NTESI S DAN ENERGI
KEHI DUPAN
TI K : Setelah mengikuti kuliah ini, anda
dapat menjelaskan Fotosintesis dan
energi kehidupan .
Pengantar Ilmu Pertanian

1

Energi
Energi Surya / Energi Elektromagnetik
Energi Mekanik
Energi Panas Matahari
Energi Geotermal / Panas Bumi
Energi Gravitasi
Energi Nuklir

Pengantar Ilmu Pertanian

2

Energi Sintesis Kimia
Tidak semua makhluk hidup mendapatkan energi dari fotosintesis
sintesis kimia
Bakteri nitrit var. nitrosamine mengubah amoniak menjadi nitrit
selanjutnya nitrat dan mendapatkan energi nitrifikasi
2NH3 + 3O2

2HNO2 + 2H2O + + 158 kcal

2HNO2 + O2

2HNO3 + 36 kcal

Bakteri pengoksid belerang mendapat energi dari:
2H2S + O2

S2 + 2H2 + energi

Bakteri pengoksid besi mendapat energi dari:

4Fe+ + + 4H+ + O2

4Fe+ + + + 2H2O + energi

kemo- ototrofik
Pengantar Ilmu Pertanian

3

⌦ Pentingnya fotosintesis bagi makhluk hidup adalah :
- Mengikat energi surya mjd energi dlm bentuk bahan
kimia 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 oleh
Julius van Sachs, 1865)

⌦ Bagian dalam kloroplast disekat dinding lamella, yg
memisahkan zat dlm kloroplast yg disebut stroma

Fotosintesis Tumbuhan Hijau
Penghasil utama energi kimia melalui sinar surya adalah tumbuhan
hijau
6CO2 + 6H2O

En e r gi
su r ya /
k lor ofil

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Setiap tahun tumbuhan hijau menghasilkan 400 000 jt ton O2,
mengikat 150 000 jt ton CO2 dan 25 000 jt ton H2O
Peningkatan kadar karbondioksida di lapisan atmosfir akan
menghambat pengembalian energi panas dari bumi dan akan
meningkatkan suhu atmosfir bumi
greenhouse effect

Julius von Sachs (1865): proses fotosintesis terjadi dalam zarah
kecil dalam tumbuhan yang berwarna hijau ( kloroplast )
Pengantar Ilmu Pertanian

5

Langkah dalam fotosintesis :
Reaksi terang di lamella
Reaksi gelap di stroma

H 2O

Energi
surya

Reaksi
terang

CO2
ADP

ATP
NADPH + H+

Reaksi
gelap

KH
berenergi

NADP
O2

Denah proses fot osint esis

H 2O

Dr. Melvin Calvin (1961 menerima nobel) menjelaskan daur
pembentukan karbohidrat
Daur Calvin
Bakteri merah membuat fotosintesis dengan mengikat H2S

6CO2 + 12H2S

En e r gi
su r ya

C6H12O6 + 12S + 6H2O

fotoototrofik
Pengantar Ilmu Pertanian

6

CAKUPAN MATERI
• Peran Fotosintesis
• Sej arah Fotosintesis
• Tempat terj adinya Fotosintesis
• Reaksi-reksi Fotosintesis
• Reaksi Terang
• Reaksi Gelap
• Tumbuhan C3, C4 dan CAM

• Fotosintesis dan Pemanasan Global
Pengantar Ilmu Pertanian

7

Matahari

Pemanenan
enargi surya

Oksigen
Energi Kimia

Bahan organik
Obat
Makanan
Pakaian
Kosmetik

Perumahan

dll.

Bahan bakar
Pengantar Ilmu Pertanian

8

Sejarah Fotosintesis

Pengantar Ilmu Pertanian

9

Percobaan aw al Fotosintesis:
Priestley ( 1770-an)
I ngenhousz ( 1780-an)
Priestly: Batang dan daun
mint dapat membersihkan
udara yang telah dikotori

oleh nyala lilin

I ngenhousz: Fotosintesis
memerlukan cahaya
Pengantar Ilmu Pertanian

10

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

Pengantar Ilmu Pertanian

11

Pada tumbuhan tinggi Fotosintesis
terjadi di dalam kloroplas

Stroma
Tilakoid
Granum
Ruang antar
membran
Membran
dalam
Membran
luar

Potongan melintang
daun jagung

Model struktur kloroplas
Pengantar Ilmu Pertanian

12

Fotosintesis: proses oksidasi reduksi

Cahaya
Matahari

6CO2 + 6H 2 O

C6 H 12 O6 + 6O2
Reduksi
Oksidasi

Pengantar Ilmu Pertanian

13

Fotosintesis menghasilkan gas
oksigen dari pemecahan air

6CO2 * + 12H 2 O

C6 H 12 O6 + 6H 2 O + 6O2

6CO2 + 12H 2 O*

C6 H 12 O6 + 6H 2 O + 6O2 *
6H 2 O*

6CO2
Penggunaan oksigen
berlabel O2 berasal
dari H2O

C6 H 12 O6

6H 2 O

Pengantar Ilmu Pertanian

6O2 *
14

Cahaya

Reaksi terang
H2O

Re a k si t e ra ng
(Da la m Gra na )

O2

Fotosintesis

ATP

NADP
H

ADP+Pi

NADP+

CO2

Reaksi gelap
Re a k si Ge la p
(dalam stroma)

Gula
Pengantar Ilmu Pertanian

15

Reaksi terang
Prosesnya digerakkan oleh cahaya
ATP
Cahaya
matahari

Klorofil

dan
NADPH

Energi CAHAYA

Energi KI MI A

Reaksi terjadi di dalam grana khususnya pada
membran tilakoid kloroplas
Pengantar Ilmu Pertanian

16

Cahaya matahari: gelombang elektromagnetik

sinar
Gamma

infra merah

UV

sinar X

Gelombang
mikro

Gelombang
radio

Cahaya Tampak
380

450

500

550

600

650

700

750 nm

Peningkatan λ
Peningkatan Energi
Pengantar Ilmu Pertanian

17

Spektrum cahaya merah dan biru adalah yang
efektif diserap oleh pigmen tumbuhan dalam
proses fotosintesis, cahaya hijau sebagian
besar dipantulkan
daun berw arna hijau
Laju Fotosintesis

Panjang gelombang
efektif untuk fotosintesis

Absorbsi cahaya
oleh klorofil a

400

500

600

700

Panjang Gelombang (nm)
Pengantar Ilmu Pertanian

18

Konsep dasar reaksi terang

Bagian dalam tilakoid

H+
NADP reduktase

Kompleks
sitokrom
Sistem cahaya I I
( PSI I )

+
H+ H H+
ATP
+
sintase
H+ H

H+
H+
Sistem cahaya I
( PSI )
Pengantar Ilmu Pertanian

NADPH

H+

H+

ATP

19

Tahap-tahap reaksi terang

Teori kemiosmosis

Air dipecah sebagai sumber elektron di sistem cahaya I I
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
Pengantar Ilmu Pertanian

20

Teori Zigzag
Sistem cahaya II (PSII)

Rantai Reaksi redoks

Sistem cahaya I (PSI)

e-

Chl*

e-

Chl*

I
PQ

Fd

Cyt

e-

e-

PC

H2O

NADPH
e-

Chl
ADP + Pi

O2

ATP

+
H+

NADP+
+ H+

H+

Foton

Chl

Foton
Pengantar Ilmu Pertanian

21

Reaksi gelap
Tidak berhubungan langsung dengan cahaya
memanfaatkan ATP dan NADPH dari reaksi
terang untuk mereduksi CO2 menjadi gula
Gula

CO2 + H 2 O

NADP+

Siklus
Calvin
NADPH

ATP

ADP

Tetap terjadi pada saat ada cahaya/ siang hari
Jadi input reaksi gelap: ATP, NADPH, CO2
Pengantar Ilmu Pertanian

22

Ribulosa-1,5bisfosfat
ADP

CO2 + H2O

Enzim Rubisco
Karboksilasi

Regenerasi

SI KLUS
CALVI N

3-Fosfogliserat

ATP

ATP
+

Gliseraldehid3-fosfat

Setiap 12 G3P:
10 regenerasi
2 gula
Pengantar Ilmu Pertanian
Sucrose, Starch
Sukrosa,
pati

Reduksi

NADPH

ADP + Pi
NADP+

23

Tumbuhan C3, C4 dan CAM
Berdasarkan metabolisme fotosintesis
dan anatomi daunnya tumbuhan
dikelompokkan ke dalam 3 grup:
Tumbuhan C3
Tumbuhan C4
Tumbuhan CAM

Pengantar Ilmu Pertanian

24

Tumbuhan C3

CO2

•

Reduksi karbon terjadi melalui
siklus Calvin ( siklus C3)

•

Disebut tumbuhan C3 karena
senyaw a aw al yang terbentuk
berkarbon 3 ( fosfogliserat)

•

Sebagian besar tumbuhan
tinggi masuk ke dalam
kelompok tumbuhan C3

•

Apabila stomata menutup
akibat stress terjadi
peningkatan fotorespirasi
pengikatan O2 oleh enzim
Rubisco

Siklus
Calvin

Gula

Pengantar Ilmu Pertanian

25

Tumbuhan C4
Epidermis atas

•

Sel seludang pembuluh
berkembang dengan
baik dan banyak
mengandung kloroplas

•

Fotosintesis terjadi di
dalam sel mesofil dan
sel seludang pembuluh

Sel mesofil
Pembuluh daun
Sel seludang
Pembuluh

Epidermis bawah
Stomata

•

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 Pertanian

26

Tumbuhan C4
CO2

•

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.)

Lintasan
C4
Malat

Piruvat

Malat

CO2

Siklus
Calvin
Gula

Piruvat

Pengantar Ilmu Pertanian

27

Malam hari

Tumbuhan CAM
CO2

Lintasan
C4
malat

Siang hari

CO2

Siklus
Calvin

Gula

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
Pengantar Ilmu Pertanian

28

Karakteristik reduksi
karbon pada tumbuhan

Sel mesofil

CO2

Lintasan
C4
Malat

Piruvat

Malat

Siklus
Calvin

CO2

Lintasan
C4
malat

Piruvat

Siklus
Calvin

Gula

CO2

CO2

Gula

Pengantar Ilmu Pertanian

Siang hari

CO2

CAM

Sel mesofil

C4
Malam hari

C3

Siklus
Calvin

Gula

29

Pemanasan global akibat efek rumah kaca
dari CO2 di atmosfir

Radiasi cahaya yang
terperangkap oleh CO2

Pengantar Ilmu Pertanian

30

Nisbah Pemanfaatan Energi Surya
oleh Makhluk Hidup
Rata- rata energi surya sampai di tepi luar atmosfir bumi
per tahun = 263 000 langley (1 langley = 1 gcal/ cm 2)
123 000 langley/ tahun dipantulkan oleh awan atau
diserap air/ debu
140 000 langley/ tahun sampai ke permukaan bumi
2% dimanfaatkan untuk fotosintesis ( khusus yang
memp. Panjang gelombang 0.4- 0.7 mikron )

1-

Efisiensi pemanfaatan energi dalam karbohidrat berbeda
untuk makhluk hidup. Tumbuhan menyerap energi
dalam karbohidrat 1- 2%
Pengantar Ilmu Pertanian

31

Pemanfaatan energi:
1. Matahari menyampaikan 1.3 x 1023 kal/ tahun
2. Tumbuhan memanfaatkan 1 x 10 21 kal/ tahun
3.
4.
5.

Herbivora memanfaatkan 5 x 1020 kal/ tahun
Karnivora memanfaatkan 1 x 1020 kal/ tahun
Karnivora tingkat dua memanfaatkan 3 x 1019
kal/ tahun

Perbedaan pendayagunaan energi mempengaruhi pola
makan bangsa- bangsa
Bangsa miskin banyak mengkonsumsi nabati
Bangsa kaya banyak mengkonsumsi hewani

Pengantar Ilmu Pertanian

32

Pengantar Ilmu Pertanian

33