Proses fotosintesis, organisme, jenis, faktor dan fungsi

itu fotosintesis Ini adalah proses biologis di mana sinar matahari diubah menjadi energi kimia dan disimpan dalam molekul organik. Ini adalah hubungan antara energi matahari dan kehidupan di Bumi.

Secara metabolik, tanaman diklasifikasikan sebagai autotrofik. Ini berarti bahwa mereka tidak perlu mengonsumsi makanan untuk bertahan hidup, karena dapat menghasilkannya sendiri melalui fotosintesis. Semua tanaman, ganggang dan bahkan beberapa bakteri adalah organisme fotosintesis, ditandai oleh warna hijau jaringan atau struktur.

Proses ini terjadi pada organel yang disebut kloroplas: kompartemen subselular membran yang mengandung serangkaian protein dan enzim yang memungkinkan pengembangan reaksi kompleks. Selain itu, itu adalah tempat fisik di mana klorofil disimpan, pigmen yang diperlukan untuk fotosintesis terjadi.

Jalur yang diambil karbon selama fotosintesis, dimulai dengan karbon dioksida dan berakhir dengan molekul gula, dikenal dengan detail mengagumkan. Rute ini secara historis dibagi menjadi fase bercahaya dan fase gelap, dipisahkan secara spasial dalam kloroplas.

Fase bercahaya terjadi di membran tylakoid kloroplas dan melibatkan pecahnya molekul air dalam oksigen, proton dan elektron. Yang terakhir ditransfer melalui membran untuk membuat reservoir energi dalam bentuk ATP dan NADPH, yang digunakan pada fase berikutnya.

Fase gelap fotosintesis terjadi di stroma kloroplas. Terdiri dari konversi karbon dioksida (CO₂) dalam karbohidrat, melalui enzim dari siklus Calvin-Benson.

Fotosintesis adalah jalur penting untuk semua organisme hidup di planet ini, yang berfungsi sebagai sumber energi dan oksigen awal. Secara hipotesis, jika fotosintesis berhenti bekerja, suatu peristiwa kepunahan massal semua makhluk hidup "superior" akan terjadi hanya dalam 25 tahun.

Indeks

• 1 Perspektif sejarah
• 2 Persamaan fotosintesis
  • 2.1 Persamaan umum
  • 2.2 Fase bercahaya dan gelap
  • 2.3 ΔG ° dari reaksi
• 3 Di mana itu terjadi??
• 4 Proses (fase)
  • 4.1 Fase bercahaya
  • 4.2 Protein terlibat
  • 4.3 Sistem Foto
  • 4.4 Aliran elektron siklik
  • 4.5 Pigmen lainnya
  • 4,6 Fase gelap
  • 4.7 Siklus Calvin
• 5 organisme fotosintesis
• 6 Jenis fotosintesis
  • 6.1 Fotosintesis oksigen dan anoksigenik
  • 6.2 Jenis metabolisme C4 dan CAM
  • 6.3 Metabolisme C4
  • 6.4 Fotosintesis CAM
• 7 Faktor yang terlibat dalam fotosintesis
• 8 fungsi
• 9 Evolusi
  • 9.1 Bentuk kehidupan fotosintesis pertama
  • 9.2 Peran oksigen dalam evolusi
• 10 Referensi

Perspektif sejarah

Sebelumnya diperkirakan bahwa tanaman memperoleh makanan mereka berkat humus yang ada di tanah, dengan cara yang analog dengan nutrisi hewan. Pikiran-pikiran ini datang dari para filsuf kuno seperti Empedocles dan Aristoteles. Mereka berasumsi bahwa akarnya berperilaku seperti tali pusar atau "mulut" yang memberi makan tanaman.

Visi ini berubah secara progresif berkat kerja keras lusinan peneliti antara abad ke-17 dan 19, yang mengungkapkan dasar-dasar fotosintesis..

Pengamatan proses fotosintesis dimulai sekitar 200 tahun yang lalu, ketika Joseph Priestley menyimpulkan bahwa fotosintesis adalah fenomena kebalikan dari respirasi seluler. Peneliti ini menemukan bahwa semua oksigen yang ada di atmosfer dihasilkan oleh tanaman, melalui fotosintesis.

Selanjutnya, bukti kuat mulai muncul dari kebutuhan air, karbon dioksida dan sinar matahari agar proses ini terjadi secara efektif.

Pada awal abad ke-19 molekul klorofil diisolasi untuk pertama kalinya dan dimungkinkan untuk memahami bagaimana fotosintesis mengarah pada penyimpanan energi kimia..

Implementasi pendekatan perintis, seperti stoikiometri pertukaran gas, berhasil mengidentifikasi pati sebagai produk fotosintesis. Selain itu, fotosintesis adalah salah satu topik pertama dalam biologi yang dipelajari melalui penggunaan isotop stabil.

Persamaan fotosintesis

Persamaan umum

Secara kimia, fotosintesis adalah reaksi redoks di mana beberapa spesies mengoksidasi dan melepaskan elektron mereka ke spesies lain yang berkurang.

Proses umum fotosintesis dapat diringkas dalam persamaan berikut: H₂O + lampu + CO₂ → CH₂O + O_2. Di mana istilah CH₂ATAU (seperenam molekul glukosa) mengacu pada senyawa organik yang disebut gula yang akan digunakan tanaman nanti, seperti sukrosa atau pati.

Fase bercahaya dan gelap

Persamaan ini dapat dipecah menjadi dua persamaan yang lebih spesifik untuk setiap tahap fotosintesis: fase terang dan fase gelap.

Fase cahaya direpresentasikan sebagai: 2H₂O + ringan → O2 + 4H⁺ + 4e^-. Demikian pula, fase gelap melibatkan hubungan berikut: CO₂ + 4 j⁺ + 4e- → CH₂O + H₂O.

ΔG° dari reaksi

Energi gratis (ΔG°) untuk reaksi ini adalah: +479 kJ · mol^-1, +317 kJ · mol^-1 dan +162 kJ · mol^-1, masing-masing. Seperti yang disarankan oleh termodinamika, tanda positif dari nilai-nilai ini diterjemahkan menjadi kebutuhan energi dan disebut proses endergonik.

Di mana organisme fotosintetik memperoleh energi ini sehingga reaksi terjadi? Dari sinar matahari.

Perlu disebutkan bahwa, berbeda dengan fotosintesis, respirasi aerobik adalah proses eksergonik - dalam hal ini nilai ΔG ° disertai dengan tanda negatif. - di mana energi yang dilepaskan digunakan oleh organisme. Oleh karena itu, persamaannya adalah: CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O.

Di mana itu terjadi??

Pada sebagian besar tanaman, organ utama tempat proses terjadi adalah pada daun. Dalam jaringan ini kami menemukan struktur globose kecil, yang disebut stomata yang mengontrol masuk dan keluarnya gas.

Sel-sel yang membentuk jaringan hijau dapat memiliki hingga 100 kloroplas di dalamnya. Kompartemen ini disusun oleh dua membran eksternal dan fase berair yang disebut stroma di mana sistem membran ketiga berada: thylakoid.

Proses (fase)

Fase bercahaya

Fotosintesis dimulai dengan penangkapan cahaya oleh pigmen paling melimpah di planet bumi: klorofil. Penyerapan cahaya menghasilkan eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi - sehingga mengubah energi matahari menjadi energi kimia potensial.

Dalam membran tilakoid, pigmen fotosintesis diatur dalam photocenters yang mengandung ratusan molekul pigmen yang bertindak sebagai antena yang menyerap cahaya dan mentransfer energi ke molekul klorofil, yang disebut "pusat reaksi".

Pusat reaksi terdiri dari protein transmembran yang terhubung ke sitokrom. Ini mentransfer elektron ke molekul lain dalam rantai transpor elektron melalui serangkaian protein membran. Fenomena ini ditambah dengan sintesis ATP dan NADPH.

Protein terlibat

Protein diatur dalam berbagai kompleks. Dua di antaranya adalah sistem foto I dan II, yang bertanggung jawab untuk menyerap cahaya dan memindahkannya ke pusat reaksi. Kelompok ketiga terdiri dari kompleks sitokrom bf.

Energi yang dihasilkan oleh gradien proton digunakan oleh kompleks keempat, ATP synthase, yang memasangkan aliran proton dengan sintesis ATP. Perhatikan bahwa salah satu perbedaan paling relevan sehubungan dengan pernapasan adalah energi tidak hanya menjadi ATP, tetapi juga NADPH.

Sistem Foto

Fotosistem I terdiri dari molekul klorofil dengan puncak serapan 700 nanometer, oleh karena itu disebut P₇₀₀. Demikian pula, puncak penyerapan fotosistem II adalah 680, disingkat P₆₈₀.

Tugas fotosistem I adalah produksi NADPH dan fotosistem II adalah sintesis ATP. Energi yang digunakan oleh fotosistem II berasal dari pecahnya molekul air, melepaskan proton dan menciptakan gradien baru melalui membran tilakoid..

Elektron yang berasal dari pecah ditransfer ke senyawa yang larut dalam lemak: plastoquinone, yang membawa elektron dari fotosistem II ke kompleks sitokrom bf, menghasilkan pemompaan proton tambahan.

Dari fotosistem II, elektron beralih ke plastosianin dan fotosistem I, yang menggunakan elektron berenergi tinggi untuk mengurangi NADP⁺ ke NADPH. Elektron akhirnya mencapai ferrodoxin dan menghasilkan NADPH.

Aliran siklik elektron

Ada jalur alternatif di mana sintesis ATP tidak melibatkan sintesis NADPH, umumnya untuk memasok energi ke proses metabolisme yang membutuhkan. Oleh karena itu keputusan apakah ATP atau NADPH dihasilkan, tergantung pada kebutuhan sesaat sel.

Fenomena ini melibatkan sintesis ATP oleh sistem foto I. Elektron tidak ditransfer ke NADP⁺, tetapi untuk kompleks sitokrom bf, menciptakan gradien elektron.

Plastocyanin mengembalikan elektron ke sistem foto I, menyelesaikan siklus transpor dan memompa proton ke kompleks sitokrom bf.

Pigmen lainnya

Klorofil bukan satu-satunya pigmen yang dimiliki tanaman, ada juga yang disebut "pigmen aksesori", termasuk karoten.

Pada fase bercahaya fotosintesis terjadi produksi unsur-unsur yang berpotensi berbahaya bagi sel, seperti "oksigen dalam singlet". Karotenoid bertanggung jawab untuk mencegah pembentukan senyawa atau mencegah kerusakan jaringan.

Pigmen ini adalah yang kita amati di musim gugur, ketika daun kehilangan warna hijau dan menjadi kuning atau oranye, karena tanaman menurunkan klorofil untuk mendapatkan nitrogen..

Fase gelap

Tujuan dari proses awal ini adalah untuk menggunakan energi matahari untuk produksi NADPH (Nicotinamide-Adenine-Dinucleotide-Phosphate atau "mengurangi kekuatan") dan ATP (adenosin trifosfat, atau "mata uang energi sel"). Elemen-elemen ini akan digunakan dalam fase gelap.

Sebelum menjelaskan langkah-langkah biokimia yang terlibat dalam fase ini, perlu diperjelas bahwa, meskipun namanya "fase gelap", itu tidak selalu terjadi dalam kegelapan total. Secara historis, istilah ini mencoba merujuk pada independensi cahaya. Dengan kata lain, fase dapat terjadi di ada atau tidak adanya cahaya.

Namun, karena fase tergantung pada reaksi yang terjadi dalam fase cahaya - yang membutuhkan cahaya - benar untuk merujuk pada serangkaian langkah ini sebagai reaksi karbon..

Siklus Calvin

Pada fase ini terjadi siklus Calvin atau tiga jalur karbon, jalur biokimia yang dijelaskan pada tahun 1940 oleh peneliti Amerika Melvin Calvin. Penemuan siklus dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1961.

Secara umum, tiga tahapan dasar siklus dijelaskan: karboksilasi akseptor CO₂, pengurangan 3-fosfogliserat dan regenerasi akseptor CO₂.

Siklus dimulai dengan penggabungan atau "fiksasi" karbon dioksida. Kurangi karbon untuk mendapatkan karbohidrat, melalui penambahan elektron, dan gunakan NADPH sebagai mengurangi tenaga.

Dalam setiap putaran siklus memerlukan penggabungan molekul karbon dioksida, yang bereaksi dengan ribulosa biphosphate, menghasilkan dua senyawa dari tiga karbon yang akan berkurang dan meregenerasi molekul ribulosa. Tiga putaran siklus menghasilkan molekul gliseralhid fosfat.

Oleh karena itu, untuk menghasilkan gula enam karbon seperti glukosa, enam siklus diperlukan.

Organisme fotosintesis

Kapasitas fotosintesis organisme muncul dalam dua domain, yang terdiri dari bakteri dan eukariota. Berdasarkan bukti ini, individu yang memahami domain archaea tidak memiliki jalur biokimia ini.

Organisme fotosintetik muncul sekitar 3,2 hingga 3,5 miliar tahun yang lalu, sebagai stromatolit terstruktur yang mirip dengan cyanobacterium modern.

Secara logis, organisme fotosintesis tidak dapat dikenali dalam catatan fosil. Namun, kesimpulan dapat dibuat dengan mempertimbangkan morfologi atau konteks geologisnya.

Sehubungan dengan bakteri, kemampuan untuk mengambil sinar matahari dan mengubahnya menjadi gula tampaknya didistribusikan secara luas di beberapa Phyla, meskipun tampaknya tidak ada pola evolusi yang jelas..

Sel-sel fotosintesis yang paling primitif ditemukan pada bakteri. Ini memiliki pigmen bakterioklorofil, dan bukan klorofil tanaman hijau yang diketahui.

Kelompok bakteri fotosintetik meliputi cyanobacteria, protobacteria, bakteri sulfur hijau, firmicutes, fototrof anoksik berfilamen dan acidobacteria.

Adapun tanaman, mereka semua memiliki kapasitas untuk melakukan fotosintesis. Faktanya, itu adalah karakteristik yang paling membedakan dari kelompok ini.

Jenis fotosintesis

Fotosintesis oksigenik dan anoksigenik

Fotosintesis dapat diklasifikasikan dengan berbagai cara. Klasifikasi pertama memperhitungkan apakah tubuh menggunakan air untuk mengurangi karbon dioksida. Jadi, kami memiliki organisme fotosintesis oksigen, yang meliputi tanaman, ganggang dan cyanobacteria.

Sebaliknya, ketika tubuh tidak menggunakan air, mereka disebut organisme fotosintesis anoksigenik. Kelompok ini termasuk bakteri hijau dan ungu, misalnya genus Klorobium dan Chromatium, yang menggunakan sulfur atau hidrogen gas untuk mengurangi karbon dioksida.

Bakteri ini tidak dapat melakukan fotosintesis dengan adanya oksigen, mereka membutuhkan media anaerob. Oleh karena itu, fotosintesis tidak mengarah pada pembentukan oksigen - karenanya dinamai "anoksigenik".

Jenis-jenis metabolisme C₄ dan CAM

Fotosintesis juga dapat diklasifikasikan menurut adaptasi fisiologis tanaman.

Pengurangan CO terjadi pada eukariota fotosintesis₂ datang dari atmosfer ke karbohidrat dalam siklus Calvin. Proses ini dimulai dengan enzim rubisco (ribulosa-1,5-bifosfat karboksilase / oksigenase) dan senyawa stabil pertama yang terbentuk adalah asam 3-fosfogliserat, tiga karbon.

Dalam kondisi stres termal, yang disebut radiasi tinggi atau kekeringan, enzim rubisco tidak dapat membedakan antara O₂ dan CO₂. Fenomena ini terutama mengurangi efisiensi fotosintesis dan disebut fotorespirasi.

Untuk alasan ini ada tanaman dengan metabolisme fotosintesis khusus yang memungkinkan mereka untuk menghindari ketidaknyamanan tersebut.

Metabolisme C4

Metabolisme tipe C₄ Tujuannya adalah untuk berkonsentrasi karbon dioksida. Sebelum rubisco bertindak, tanaman C₄ melakukan karboksilasi pertama oleh PEPC.

Perhatikan bahwa ada pemisahan spasial antara dua karboksilasi. Tanaman C.₄ Mereka dibedakan dengan memiliki anatomi "kranz" atau korona, yang dibentuk oleh sel-sel mesofilik dan bersifat fotosintesis, tidak seperti sel-sel ini dalam fotosintesis normal atau C₃.

Dalam sel-sel ini karboksilasi pertama terjadi oleh PEPC, memberikan sebagai produk oksaloasetat, yang direduksi menjadi malat. Ini berdifusi ke sel pod, di mana proses dekarboksilasi terjadi menghasilkan CO₂. Karbon dioksida digunakan dalam karboksilasi kedua yang diarahkan oleh rubisco.

Fotosintesis CAM

Fotosintesis CAM atau metabolisme asam crasuláceas adalah adaptasi dari tanaman yang hidup di iklim yang sangat kering dan khas tanaman seperti nanas, anggrek, anyelir, antara lain.

Asimilasi karbon dioksida pada tanaman CAM terjadi pada malam hari, karena kehilangan air oleh pembukaan stomata akan lebih sedikit daripada di siang hari..

CO₂ itu dikombinasikan dengan PEP, sebuah reaksi yang dikatalisis oleh PEPC, membentuk asam malat. Produk ini disimpan dalam vakuola yang melepaskan kontennya di pagi hari, kemudian didekarbilasi dan CO₂ berhasil bergabung dengan siklus Calvin.

Faktor yang terlibat dalam fotosintesis

Di antara faktor-faktor lingkungan yang terlibat dalam efisiensi sorotan fotosintesis: jumlah CO hadir₂ dan dari cahaya, suhu, akumulasi produk fotosintesis, jumlah oksigen dan ketersediaan air.

Faktor tanaman juga memiliki peran mendasar, seperti usia dan status pertumbuhan.

Konsentrasi CO₂ dalam lingkungan itu rendah (tidak melebihi 0,03% dari volume), oleh karena itu setiap variasi minimal memiliki konsekuensi luar biasa dalam fotosintesis. Selain itu, tanaman hanya mampu menghasilkan 70 atau 80% karbon dioksida.

Jika tidak ada batasan dari variabel lain yang disebutkan, kami menemukan bahwa fotosintesis akan tergantung pada jumlah CO₂ tersedia.

Dengan cara yang sama, intensitas cahaya sangat penting. Dalam lingkungan dengan intensitas rendah, proses respirasi akan melampaui fotosintesis. Untuk alasan ini, fotosintesis jauh lebih aktif pada jam-jam ketika intensitas matahari tinggi, seperti jam-jam pertama pagi hari..

Beberapa tanaman mungkin lebih terpengaruh daripada yang lain. Misalnya, rumput hijauan tidak terlalu sensitif terhadap faktor suhu.

Fungsi

Fotosintesis adalah proses vital bagi semua organisme di planet bumi. Cara ini bertanggung jawab untuk mendukung semua bentuk kehidupan, menjadi sumber oksigen dan dasar dari semua rantai trofik yang ada, karena memfasilitasi konversi energi matahari menjadi energi kimia.

Dengan kata lain, fotosintesis menghasilkan oksigen yang kita hirup - seperti yang disebutkan di atas, unsur itu adalah produk sampingan dari proses - dan makanan yang kita konsumsi setiap hari. Hampir semua organisme hidup menggunakan senyawa organik yang berasal dari fotosintesis sebagai sumber energi.

Perhatikan bahwa organisme aerob mampu mengekstraksi energi dari senyawa organik yang dihasilkan oleh fotosintesis hanya dengan adanya oksigen - yang juga merupakan produk dari proses tersebut..

Faktanya, fotosintesis mampu mengubah jumlah karbon dioksida (200 miliar ton) yang diperparah menjadi senyawa organik. Mengenai oksigen, diperkirakan produksi berada di kisaran 140 miliar ton.

Selain itu, fotosintesis memberi kita sebagian besar energi (sekitar 87% dari ini) yang digunakan manusia untuk bertahan hidup, dalam bentuk bahan bakar fotosintesis fosil..

Evolusi

Bentuk kehidupan fotosintesis pertama

Dalam terang evolusi, fotosintesis tampaknya merupakan proses yang sangat lama. Ada sejumlah besar bukti yang menempatkan asal jalan ini di dekat penampakan bentuk kehidupan pertama.

Mengenai asal usul eukariota, ada banyak bukti yang mengusulkan endosimbiosis sebagai penjelasan yang lebih masuk akal untuk proses tersebut..

Dengan demikian, organisme yang menyerupai cyanobacteria bisa menjadi kloroplas, berkat hubungan endosimbiotik dengan prokariota yang lebih besar. Oleh karena itu, asal evolusi fotosintesis lahir dalam domain bakteri dan dapat didistribusikan berkat peristiwa perpindahan gen horizontal yang masif dan berulang-ulang.

Peran oksigen dalam evolusi

Tidak ada keraguan bahwa konversi energi melalui fotosintesis telah membentuk lingkungan planet bumi saat ini. Fotosintesis, dipandang sebagai sebuah inovasi, memperkaya atmosfer oksigen dan merevolusi energi bentuk kehidupan.

Ketika rilis O dimulai₂ oleh organisme fotosintesis pertama, mungkin larut dalam air lautan, sampai menjenuhkannya. Selain itu, oksigen dapat bereaksi dengan zat besi, mengendap dalam bentuk besi oksida, yang saat ini merupakan sumber mineral yang sangat berharga..

Kelebihan oksigen berkembang ke atmosfer, hingga akhirnya berkonsentrasi di sana. Peningkatan konsentrasi O yang sangat besar ini₂ Ini memiliki konsekuensi penting: kerusakan pada struktur biologis dan enzim, mengutuk banyak kelompok prokariota.

Sebaliknya, kelompok lain menunjukkan adaptasi untuk hidup di lingkungan baru yang kaya oksigen, dibentuk oleh organisme fotosintesis, mungkin cyanobacteria purba..

Referensi

1. Berg, J. M., Stryer, L., & Tymoczko, J. L. (2007). Biokimia. Saya terbalik.
2. Blankenship, R. E. (2010). Evolusi Awal Fotosintesis. Fisiologi Tumbuhan, 154(2), 434-438.
3. Campbell, A, N., & Reece, J. B. (2005). Biologi. Ed. Panamericana Medical.
4. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Sel: Pendekatan molekuler. Medicinska naklada.
5. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Undangan ke Biologi. Ed. Panamericana Medical.
6. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Ed. Panamericana Medical.
7. Eaton-Rye, J. J., Tripathy, B. C. & Sharkey, T. D. (Eds.) (2011). Fotosintesis: biologi plastid, konversi energi dan asimilasi karbon (Vol. 34). Sains Springer & Media Bisnis.
8. Hohmann-Marriott, M. F., & Blankenship, R. E. (2011). Evolusi fotosintesis. Tinjauan tahunan biologi tanaman, 62, 515-548.
9. Koolman, J., & Röhm, K. H. (2005). Biokimia: teks dan atlas. Ed. Panamericana Medical.
10. Palade, G. E., & Rosen, W. G. (1986). Biologi Sel: Riset dan Aplikasi Dasar. Akademi Nasional.
11. Posada, J. O. S. (2005). Yayasan untuk pendirian padang rumput dan tanaman pakan ternak. Universitas Antioquia.
12. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fisiologi tumbuhan. Universitat Jaume I.