BAHAN AJAR METABOLISME PADA TUMBUHAN OLEH IR. I WAYAN WIRAATMAJA, MP. NIP. 19590418 198601 1 001 PROGRAM STUDI AGROEKOTEKNOLOGI FAKULTAS PERTANIAN UNUD 2017 i KATA PENGANTAR Berkat Asung Kertha Wara Nugraha Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, maka Bahan Ajar ―METABOLISME PADA TUMBUHAN‖ ini berhasil disusun. Penyusunan materi ini dilakukan untuk penyempurnaan bahan ajar yang telah ada pada Mata Kuliah Fisiologi Tumbuhan. Penulis menyampaikan terima kasih kepada semua pihak, terutama kepada rekan-rekan staf dosen Program Studi Agroekoteknologi dan Dekan Fakultas Pertanian Universitas Udayana atas segala bantuannya, baik moril maupun dorongan semangat. Penulis menyadari bahwa Bahan Ajar ini belum sempurna. Untuk itu kami mengharapkan saran dan masukan yang sifatnya membangun penyempurnaan. Semoga tulisan ini bermanfaat. Denpasar, September 2017. Penyusun ii untuk DAFTAR ISI JUDUL ………………………………………………………………………………… i KATA PENGANTAR ………………………….……………………………………………. ii DAFTAR ISI…………………………………………………………………………………… iii I. METABOLISME PADA TUMBUHAN…………………………………………………. 1 II. ANABOLISME 2.1. Fotosintesis…… ….……………………………………………………..…….. 3 2.1.1. Latar Belakang……..……..……………………………………..…….…… 3 2.1.2. Sejarah Penemuan Fotosintesis………..…………………...….…….… 5 2.1.3. Proses Fotosintesis…………………………………………….……..……. 9 2.1.4 Faktor Yang Mempengaruhi Fotosintesis…………………….……..… 19 III. KATABOLISME………………………………………………………………………. 25 3.1. Respirasi……………………………………………………………………….. 25 3.1.1. Pertukaran Gas Pada Respirasi………………………………………….. 26 3.1.2. Faktor Yang Mempengaruhi Respirasi………………………………….. 26 3.1.3. Garis Besar Respirasi……………………………………………………… 31 3.1.3.1. Glikolisis……………………………………………………………….. 32 3.1.3.2. Fermentasi……………………………………………………………. 35 3.1.3.3. Daur Kreb…………………………………………………………….. 36 3.1.3.4 Rantai Respirasi……………………………….………………………. 39-44 DAFTAR PUSTAKA………..……………………………………………………………... iii 45 I. METABOLISME PADA TUMBUHAN Metabolisme dalam bahasa Yunani metabolismos yang berarti perubahan adalah semua reaksi kimia yang terjadi dalam organism termasuk yang terjadi di tingkat seluler. Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim. Reaksi-reaksi tersebut adalah dasar dari kehidupan, yang membuat sel dapat tumbuh dan bereproduksi, mempertahankan strukturnya, dan merespon lingkungannya. Secara keseluruhan, metabolisme bertanggung jawab terhadap pengaturan materi dan sumber energi dari sel. Peran metabolisme inilah yang menjadikan suatu reaksi yang sangat penting bagi kelangsungan hidup makhluk hidup. Tumbuhan menghasilkan metabolit sekunder yang berfungsi untuk melindungi tumbuhan tersebut dari serangan bakteri, jamur, serangga dan jenis pathogen lainnya serta tumbuhan mampu menghasilkan vitamin untuk kepentingan tumbuhan itu sendiri dan hormone-hormon yang merupakan sarana bagi tumbuhan untuk berkemunikasi antara organnya atau jaringannya dalam mengendalikan dan mengkoordinasikan pertumbuhan dan perkembangannya. Tumbuhan mengalami proses metabolisme yang terdiri dari anabolisme, yaitu pembentukan senyawa yang lebih besar dari molekul-molekul yang lebih kecil, yaitu pati, selulose, protein, lemak dan asam lemak. Prioses ini membutuhkan energi. Sedang katabolisme adalah menguraikan molekul yang besar menjadi molekul yang lebih kecil dan menghasilkan energy. Sel dalam tubuh tumbuhan mampu mengatur lintasan-lintasan metabolik yang dikendalikannnya agar terjadi dan dapat mengatur kecepatan reaksi tersebut dengan cara memproduksi katalisator dalam jumlah yang sesuai dan tepat pada saat dibutuhkan. Katalisator inilah yang disebut dengan enzim yang mampu mempercepat laju reaksi berkisar antara 108 sampai 1020. 1 Secara umum, metabolisme terdiri atas 2 proses yaitu anabolisme (reaksi penyusunan) dan katabolisme (reaksi pemecahan). 1. Anabolisme Anabolisme adalah suatu peristiwa penyusunan senyawa kompleks dari senyawa sederhana. Nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Contohnya Fotosintesis. 2. Katabolisme Katabolisme adalah reaksi pemecahan/pembongkaran senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Contohnya Respiras 2 II. ANABOLISME Anabolisme adalah proses sintesis (penyusunan) senyawa kompleks dari senyawa-senyawa sederhana secara bertahap. Proses ini membutuhkan energi dari luar, seperti energi cahaya. Contoh : Fotosintesis. 2.1. FOTOSINTESIS 2.1.1. Latar Belakang Fotosintesis (dari bahasa Yunani [fóto-], "cahaya," dan [sýnthesis], "menggabungkan", "penggabungan") adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan seperti karbohidrat yang dilakukan oleh tumbuhan, terutama tumbuhan yang mengandung zat hijau daun atau klorofil. Selain tumbuhan berkalori tinggi, makhluk hidup non-klorofil lain yang berfotosintesis adalah alga dan beberapa jenis bakteri. Organisme ini berfotosintesis dengan menggunakan zat hara, karbon dioksida, dan air serta bantuan energi cahaya matahari. Organisme fotosintesis disebut fotoautotrof karena mereka dapat membuat makanannya sendiri. Pada tanaman, alga, dan cyanobacteria, fotosintesis dilakukan dengan memanfaatkan karbondioksida dan air serta menghasilkan produk buangan oksigen. Fotosintesis sangat penting bagi semua kehidupan aerobik di Bumi karena selain untuk menjaga tingkat normal oksigen di atmosfer, fotosintesis juga merupakan sumber energi bagi hampir semua kehidupan di Bumi, baik secara langsung (melalui produksi primer) maupun tidak langsung (sebagai sumber utama energi dalam makanan mereka), kecuali pada organisme kemoautotrof yang hidup di bebatuan atau di lubang angin hidrotermal di laut yang dalam. Tingkat penyerapan energi oleh fotosintesis sangat tinggi, yaitu sekitar 100 terawatt, atau kira-kira enam manusia. Selain kali lebih energi, besar daripada konsumsi fotosintesis juga 3 menjadi energi sumber peradaban karbon bagi semua senyawa organik dalam tubuh organisme. Fotosintesis mengubah sekitar 100–115 petagram karbon menjadi biomassa setiap tahunnya. Meskipun fotosintesis dapat berlangsung dalam berbagai cara pada berbagai spesies, beberapa cirinya selalu sama. Misalnya, prosesnya selalu dimulai dengan energi cahaya fotosintesis. diserap Pada oleh protein berklorofil tumbuhan, protein ini yang tersimpan disebut pusat di reaksi dalam organel yang disebut kloroplas, sedangkan pada bakteri, protein ini tersimpan pada membran plasma. Sebagian dari energi cahaya yang dikumpulkan oleh klorofil disimpan dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP). Sisa energinya digunakan untuk memisahkan elektron dari zat seperti air. Elektron ini digunakan dalam reaksi yang mengubah karbondioksia menjadi senyawa organik. Pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria, dilakukan dalam suatu rangkaian reaksi yang disebut siklus Calvin, namun rangkaian reaksi yang berbeda ditemukan pada beberapa bakteri, misalnya siklus Krebs terbalik pada Chlorobium. Banyak organisme fotosintesis memiliki adaptasi yang mengonsentrasikan atau menyimpan karbondioksida. Ini membantu mengurangi proses boros yang disebut fotorespirasi yang dapat menghabiskan sebagian dari gula yang dihasilkan selama fotosintesis. Organisme fotosintesis pertama kemungkinan berevolusi sekitar 3.500 juta tahun silam, pada masa awal sejarah evolusi kehidupan ketika semua bentuk kehidupan di Bumi merupakan mikroorganisme dan atmosfer memiliki sejumlah besar karbondioksida. Makhluk memanfaatkan hidrogen atau hidrogen hidup ketika sulfida—bukan itu sangat air—sebagai mungkin sumber elektron. Cyanobacteria muncul kemudian, sekitar 3.000 juta tahun silam, dan secara drastis mengubah Bumi ketika mereka mulai mengoksigenkan atmosfer pada sekitar 2.400 juta tahun silam. Atmosfer baru ini memungkinkan evolusi kehidupan kompleks seperi protista. Pada akhirnya, tidak kurang dari satu miliar tahun silam, 4 salah satu protista membentuk hubungan simbiosis dengan satu cyanobacteria dan menghasilkan nenek moyang dari seluruh tumbuhan dan alga. Kloroplas pada Tumbuhan modern merupakan keturunan dari cyanobacteria yang bersimbiosis ini. 2.1.2. Sejarah Penemuan Fotosintesis. Meskipun masih ada langkah-langkah dalam fotosintesis yang belum dipahami, persamaan umum fotosintesis telah diketahui sejak tahun 1800-an. 1. Pada awal tahun 1600-an, seorang dokter dan ahli kimia, Jan van Helmont, seorang Flandria (sekarang bagian dari Belgia), melakukan percobaan untuk mengetahui faktor apa yang menyebabkan massa tumbuhan bertambah dari waktu ke waktu. Dari penelitiannya, Helmont menyimpulkan bahwa massa tumbuhan bertambah hanya karena pemberian air. 2. Pada tahun 1727, ahli botani Inggris, Stephen Hales berhipotesis bahwa pasti ada faktor lain selain air yang berperan. Ia mengemukakan bahwa sebagian makanan tumbuhan berasal dari atmosfer dan cahaya yang terlibat dalam proses tertentu. Pada saat itu belum diketahui bahwa udara mengandung unsur gas yang berlainan. 3. Pada tahun 1771, Joseph berkebangsaan Inggris, Priestley, menemukan seorang bahwa ahli kimia ketika dan ia pendeta menutupi sebuah lilin menyala dengan sebuah toples terbalik, nyalanya akan mati sebelum lilinnya habis terbakar. Ia kemudian menemukan bila ia meletakkan tikus dalam toples terbalik bersama lilin, tikus itu akan mati lemas. Dari kedua percobaan itu, Priestley menyimpulkan bahwa nyala lilin telah "merusak" udara dalam toples itu dan menyebabkan matinya tikus. Ia kemudian menunjukkan bahwa udara yang telah ―dirusak‖ oleh lilin tersebut dapat ―dipulihkan‖ oleh tumbuhan. Ia juga 5 menunjukkan bahwa tikus dapat tetap hidup dalam toples tertutup asalkan di dalamnya juga terdapat tumbuhan. 4. Pada tahun 1778, Jan Ingenhousz, dokter kerajaan Austria, mengulangi eksperimen Priestley. Ia memperlihatkan bahwa cahaya Matahari berpengaruh pada tumbuhan sehingga dapat "memulihkan" udara yang "rusak". Ia juga menemukan bahwa tumbuhan juga 'mengotori udara' pada keadaan gelap sehingga ia lalu menyarankan agar tumbuhan dikeluarkan dari rumah pada malam hari untuk mencegah kemungkinan meracuni penghuninya. 5. Akhirnya pada tahun 1782, Jean Senebier, seorang pastor Perancis, menunjukkan bahwa udara yang "dipulihkan" dan "merusak" itu adalah karbon dioksida yang diserap oleh tumbuhan dalam fotosintesis. Tidak lama kemudian, Theodore de Saussure berhasil menunjukkan hubungan antara hipotesis Stephen Hale dengan percobaan-percobaan "pemulihan" udara. Ia menemukan bahwa peningkatan massa tumbuhan bukan hanya karena penyerapan karbon dioksida, tetapi juga oleh pemberian air. Melalui serangkaian eksperimen inilah akhirnya para ahli berhasil menggambarkan 6 persamaan umum dari fotosintesis yang menghasilkan makanan (seperti glukosa). 6. Cornelis Van Niel menghasilkan penemuan penting yang menjelaskan proses kimia fotosintesis. Dengan mempelajari bakteri sulfur ungu dan bakteri hijau, dia menjadi ilmuwan pertama yang menunukkan bahwa fotosintesis merupakan reaksi redoks yang bergantung pada cahaya, yang mana hidrogen mengurangi karbondioksida. 7. Robert Emerson menemukan dua reaksi cahaya dengan menguji produktivitas Tumbuhan menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang berbedabeda. Dengan hanya cahaya merah, reaksi cahayanya dapat ditekan. Ketika cahaya biru dan merah digabungkan, hasilnya menjadi lebih banyak. Dengan demikian, ada dua protosistem, yang satu menyerap sampai panjang gelombang 600 nm, yang lainnya sampai 700 nm. Yang pertama dikenal sebagai PSII, yang kedua PSI. PSI hanya mengandung klorofil a, PAII mengandung terutama klorofil a dan klorofil b, di antara pigmen lainnya. Ini meliputi fikobilin, yang merupakan pigmen merah dan biru pada alga merah dan biru, serta fukoksantol untuk alga coklat dan diatom. Proses ini paling produktif ketika penyerapan kuantanya seimbang untuk PSII dan PSI, menjamin bahwa masukan energi dari kompleks antena terbagi antara sistem PSI dan PSII, yang pada gilirannya menggerakan fotosintesis. 8. Robert Hill berpikir bahwa suatu kompleks reaksi terdiri atas perantara ke kitokrom b6 (kini plastokinon), yang lainnya dari kitokrom f ke satu tahap dalam mekanisme penghasilan karbohidrat. Semua itu dihubungkan oleh plastokinon, yang memerlukan energi untuk mengurangi kitokrom f karena itu merupakan reduktan yang baik. 9. Percobaan lebih lanjut yang membuktikan bahwa oksigen berkembang pada fotosintesis Tumbuhan hijau dilakukan oleh Hill pada tahun 1937 dan 1939. Dia 7 menunjukkan bahwa kloroplas terisolasi melepaskan oksigen ketika memperleh agen pengurang tak alami seperti besi oksalat, ferisianida atau benzokinon setelah sebelumnya diterangi oleh cahaya. Reaksi Hill adalah sebagai berikut: 6 H2O + 6 CO2 + (cahaya, kloroplas) → C6H12O6 + 6O2 yang mana A adalah penerima elektron. Dengan demikian, dalam penerangan, penerima elektron terkurangi dan oksigen berkembang. 10. Samuel Ruben dan Martin Kamen menggunakan isotop radioaktif untuk menunjukkan bahwa oksigen yang dilepaskan dalam fotosintesis berasal dari air. 11. Melvin Calvin dan Andrew Benson, bersama dengan James Bassham, menjelaskan jalur asimilasi karbon (siklus reduksi karbon fotosintesis) pada Tumbuhan. Siklus reduksi karbon kini dikenal sebagai siklus Calvin, yang mengabaikan kontribusi oleh Bassham dan Benson. Banyak ilmuwan menyebut siklus ini sebagai Siklus Calvin-Benson, Benson-Calvin, dan beberapa bahkan menyebutnya Siklus Calvin-Benson-Bassham (atau CBB). 12. Ilmuwan pemenang Hadiah Nobel, Rudolph A. Marcus, berhasil menemukan fungsi dan manfaat dari rantai pengangkutan elektron. 13. Otto Heinrich Warburg dan Dean Burk menemukan reaksi fotosintesis I-kuantum yang membagi CO2, diaktifkan oleh respirasi. 14. Louis N.M. Duysens dan Jan Amesz menemukan bahwa klorofil a menyerap satu cahaya, mengoksidasi kitokrom f, klorofil a (dan pigmen lainnya) akan menyerap cahaya lainnya, namun akan mengurangi kitokrom sama yang telah teroksidasi, menunjukkan bahwa dua reaksi cahaya itu ada dalam satu rangkaian. 8 2.1.3. Proses Fotosintesis Tumbuhan bersifat autotrof. Autotrof artinya dapat mensintesis makanan langsung dari senyawa dioksida dan air untuk anorganik. Tumbuhan menggunakan karbon menghasilkan gula dan oksigen yang diperlukan sebagai makanannya. Energi untuk menjalankan proses ini berasal dari fotosintesis. Berikut ini adalah persamaan reaksi fotosintesis yang menghasilkan glukosa: 6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2 Glukosa dapat digunakan untuk membentuk senyawa organik lain seperti selulosa dan dapat pula digunakan sebagai bahan bakar. Proses ini berlangsung melalui respirasi seluler yang terjadi baik pada hewan maupun tumbuhan. Secara umum reaksi yang terjadi pada respirasi seluler berkebalikan dengan persamaan di atas. Pada respirasi, gula (glukosa) dan senyawa lain akan bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan energi kimia. Tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen inilah yang memberi warna hijau pada tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel yang disebut kloroplas. klorofil menyerap cahaya yang akan digunakan dalam fotosintesis. Meskipun seluruh bagian tubuh tumbuhan yang berwarna hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi dihasilkan di daun. Di dalam daun terdapat lapisan sel yang disebut mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya. Cahaya akan melewati lapisan epidermis tanpa warna dan yang transparan, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi oleh kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar Matahari ataupun penguapan air yang berlebihan. Fotosintesis terjadi dalam dua tahap. Pada tahap pertama, reaksi terang atau reaksi cahaya menyerap energi cahaya dan menggunakannya untuk 9 menghasilkan molekul penyimpan energi ATP dan NADPH. Pada tahap kedua, reaksi gelap menggunakan produk ini untuk menyerap dan mengurangi karondioksida. Sebagian besar organisme yang melakukan fotosintesis untuk menghasilkan oksigen menggunakan cahaya nampak untuk melakukannya, meskipun setidaknya tiga menggunakan radiasi inframerah A. Reaksi Terang. Reaksi terang fotosintesis pada membran tilakoid Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2. Reaksi ini memerlukan molekul air dan cahaya Matahari. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena. Reaksi terang melibatkan dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan II. Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm. 10 Mekanisme reaksi terang diawali dengan tahap di mana fotosistem II menyerap cahaya Matahari sehingga elektron klorofil pada PS II tereksitasi dan menyebabkan muatan menjadi tidak stabil. Untuk menstabilkan kembali, PS II akan mengambil elektron dari molekul H2O yang ada disekitarnya. Molekul air akan dipecahkan oleh ion mangan (Mn) yang bertindak sebagai enzim.[38] Hal ini akan mengakibatkan pelepasan H+ di lumen tilakoid. Dengan menggunakan elektron dari air, selanjutnya PS II akan mereduksi plastokuinon (PQ) membentuk PQH2. Plastokuinon merupakan molekul kuinon yang terdapat pada membran lipid bilayer tilakoid. Plastokuinon ini akan mengirimkan elektron dari PS II ke suatu pompa H+ yang disebut sitokrom b6-f kompleks. Reaksi keseluruhan yang terjadi di PS II adalah : 2H2O + 4 foton + 2PQ + 4H- → 4H+ + O2 + 2PQH2 Sitokrom b6-f kompleks berfungsi untuk membawa elektron dari PS II ke PS I dengan mengoksidasi PQH2 dan mereduksi protein kecil yang sangat mudah bergerak dan mengandung tembaga, yang dinamakan plastosianin (PC). Kejadian ini juga menyebabkan terjadinya pompa H+ dari stroma ke membran tilakoid. Reaksi yang terjadi pada sitokrom b6-f kompleks adalah : 2PQH2 + 4PC(Cu2+) → 2PQ + 4PC(Cu+) + 4 H+ (lumen) Elektron dari sitokrom b6-f kompleks akan diterima oleh fotosistem I. Fotosistem ini menyerap energi cahaya terpisah dari PS II, tetapi mengandung kompleks inti terpisahkan, yang menerima elektron yang berasal dari H2O melalui kompleks inti PS II lebih dahulu. Sebagai sistem yang bergantung pada cahaya, PS I berfungsi mengoksidasi plastosianin tereduksi dan memindahkan elektron ke protein Fe-S larut yang disebut feredoksin. Reaksi keseluruhan pada PS I adalah : Cahaya + 4PC(Cu+) + 4Fd(Fe3+) → 4PC(Cu2+) + 4Fd(Fe2+) 11 Selanjutnya elektron dari feredoksin digunakan dalam tahap akhir pengangkutan elektron untuk mereduksi NADP+ dan membentuk NADPH. Reaksi ini dikatalisis dalam stroma oleh enzim feredoksin-NADP+ reduktase. Reaksinya adalah 4Fd (Fe2+) + 2NADP+ + 2H+ → 4Fd (Fe3+) + 2NADPH Ion H+ yang telah dipompa ke dalam membran tilakoid akan masuk ke dalam ATP sintase. ATP sintase akan menggandengkan pembentukan ATP dengan pengangkutan elektron dan H+ melintasi membran tilakoid. Masuknya H+ pada ATP sintase akan membuat ATP sintase bekerja mengubah ADP dan fosfat anorganik (Pi) menjadi ATP. Reaksi keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut[1]: Sinar + ADP + Pi + NADP+ + 2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2 B. Skema Z. Pada tanaman, reaksi terang terjadi pada membran tilakoid di kloroplas dan menggunakan energi cahaya untuk menyintesis ATP dan NADPH. Reaksi terang memiliki dua bentuk: siklus dan nonsiklus. Pada reaksi nonsiklus, foton diserap pada kompleks antena fotosistem II penyerap cahaya oleh klorofil dan pigmen aksesoris lainnya. Ketika molekul klorofil pada inti pusat reaksi fotosistem II memperoleh energi eksitasi yang cukup dari pigmen antena yang berdekatan dengannya, satu elektron akan dipindahkan ke molekul penerima elektron, yaitu feopftin, melalui sebuah proses yang disebut pemisahan tenaga terfotoinduksi. Elektron ini dipindahkan melalui rangkaian transport elektron, yang disebut skema Z, yang pada awalnya berfungsi untuk menghasilkan potensi kemiosmosis di sepanjang membran. Satu enzim sintase ATP menggunakan potensi kemisomosis untuk menghasilkan ATP selama fotofosforilasi, sedangkan NADPH adalah produk dari 12 reaksi redoks terminal pada fofosistem II. pada skema Elektron ini Z. Elektron tereksitasi masuk karena ke cahaya molekul yang klorofil diserap oleh fotosistem. Pembawa elektron kedua menerima elektron, yang lagi-lagi dilewatkan untuk menurunkan energi penerim elektron. Energi yang dihasilkan oleh penerima elektron digunakan untuk menggerakan ion hidrogen di sepanjang membran tilakoid sampai ke dalam lumen. Elektron digunakan untuk mereduksi koenzim NADP, yang memiliki fungsi pada reaksi terang. Reaksi siklus mirip dengan nonsiklus, namun berbeda pada bentuknya karena hanya menghasilkan ATP, dan tidak ada NADP (NADPH) tereduksi yang dihasilkan. Reaksi siklus hanya berlangsung pada fotosistem I. Setelah elektron dipindahkan dari fotosistem, elektron digerakkan melewati molekul penerima elektron dan dikembalikan ke fotosistem I, yang dari sanalah awalnya elektron dikeluarkan, sehingga reaksi ini diberi nama reaksi siklus. C. Fotolisis air NADPH adalah agen pereduksi utama dalam kloroplas, menyediakan sumber elektron enerjik kepada reaksi lainnya. Produksinya meninggalkan klorofil dengan defisit elektron (teroksidasi), yang harus diperoleh dari beberapa agen pereduksi lainnya. Elektron yang hilang dari klorofil pada fotosistem I ini digantikan dari rangkaian transport elektron oleh plastosianin. Akan tetapi, karena fotosistem II meliputi tahap pertama dari skema Z, sumber elektron eksternal siperlukan untuk mereduksi molekuk klorofil a-nya yang telah teroksidasi. Sumber elektron pada tanaman hijau dan fotosintesis cyanobacteria adalah air. Dua molekul air teroksidasi oleh oleh empat reaksi pemisahan-tenaga berturut-turut oleh fotosistem II untuk menghasilkan satu molekul oksigen diatom dan empat ion hidrogen; elektron yang dihasilkan pada tiap tahap dipindahkan ke 13 residu tirosin redoks-aktif yang kemudian mereduksi spesies klorofil a yang berpasangan yang telah terfotooksidasi yang disebut P680 yang berguna sebagai donor elektron primer (digerakkan oleh cahaya) pada pusat reaksi fotosistem II. Oksidasi air terkatalisasi pada fotosistem oleh fotosistem II oleh suatu struktur redoks-aktif yang mengandung empat ion mangan dan satu ion kalsium; kompleks evolusi oksigen ini mengikat dua molekul air dan menyimpan empat padanannya yang telah teroksidasi yang diperlukan untuk melakukan reaksi oksidasi air. Fotosistem II adalah satu-satunya enzim biologi yang diketahui melaksanakan oksidasi air ini. Ion hidrogen berkontribusi terhadap potensi kemiosmosis transmembran yang berujung pada sintesis ATP. Oksigen adalah produk ampas dari reaksi cahaya, namun sebagian besar organisme di Bumi menggunakan oksigen untuk respirasi sel, termasuk organisme fotosintesis. D. Reaksi gelap Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-Benson dan jalur Hatch-Slack. Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah senyawa ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP, senyawa dengan lima atom C) dan molekul karbondioksida menjadi dua senyawa 3-fosfogliserat (PGA) : Oleh karena PGA memiliki tiga atom karbon tumbuhan yang menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C3 Penambatan CO2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim Rubisco[41], yang merupakan enzim alami yang paling melimpah di bumi. Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur HatchSlack disebut tumbuhan C4 karena senyawa pertama yang terbentuk setelah penambatan CO2 adalah asam oksaloasetat yang memiliki karbon. Enzim yang berperan adalah fosfoenolpiruvat karboksilase . 14 empat atom 1. Siklus Calvin-Benson Siklus Calvin-Benson Mekanisme siklus Calvin-Benson dimulai dengan fiksasi CO2 oleh ribulosa difosfat karboksilase (RuBP) merupakan enzim alosetrik yang membentuk distimulasi oleh 3-fosfogliserat. tiga jenis RuBP perubahan yang dihasilkan dari pencahayaan kloroplas. Pertama, reaksi dari enzim ini distimulasi oleh peningkatan pH. Jika kloroplas diberi cahaya, ion H+ ditranspor dari stroma ke dalam tilakoid menghasilkan peningkatan pH stroma yang menstimulasi enzim karboksilase, terletak di permukaan luar membran tilakoid.[41] Kedua, reaksi ini distimulasi oleh Mg2+, yang memasuki stroma daun sebagai ion H+, jika kloroplas diberi cahaya. Ketiga, reaksi ini distimulasi oleh NADPH, yang dihasilkan oleh fotosistem I selama pemberian cahaya. Fiksasi CO2 ini merupakan reaksi gelap yang distimulasi oleh pencahayaan kloroplas. Fikasasi CO2 melewati proses karboksilasi, reduksi, dan regenerasi. 15 Karboksilasi melibatkan penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(3-PGA). Kemudian pada fase reduksi, gugus karboksil dalam 3-PGA direduksi menjadi 1 gugus aldehida dalam 3-fosforgliseradehida (3Pgaldehida). Reduksi ini tidak terjadi secara langsung, tetapi gugus karboksil dari 3-PGA pertama-tama diubah menjadi ester jenis anhidrida asam pada bifosfogliserat (1,3-bisPGA) dengan penambahan gugus asam fosfat 1,3- terakhir dari ATP. ATP ini timbul dari fotofosforilasi dan ADP yang dilepas ketika 1,3-bisPGA terbentuk, yang diubah kembali dengan cepat menjadi ATP oleh reaksi fotofosforilasi tambahan. Bahan pereduksi yang sebenarnya adalah NADPH, yang menyumbang 2 elektron. Secara bersamaan, Pi dilepas dan digunakan kembali untuk mengubah ADP menjadi ATP. Pada fase regenerasi, yang diregenerasi adalah RuBP yang diperlukan untuk bereaksi dengan CO2tambahan yang berdifusi secara konstan ke dalam dan melalui stomata. Pada akhir reaksi Calvin, ATP ketiga yang diperlukan bagi tiap molekul CO2 yang ditambat, digunakan untuk mengubah ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP, kemudian daur dimulai lagi. Tiga putaran daur akan menambatkan 3 molekul CO2 dan produk akhirnya adalah 1,3-Pgaldehida. Sebagian digunakan kloroplas untuk membentuk pati, sebagian lainnya dibawa keluar. Sistem ini membuat jumlah total fosfat menjadi konstan di kloroplas, tetapi menyebabkan munculnya triosafosfat di sitosol. Triosa fosfat digunakan sitosol untuk membentuk sukrosa. 16 2. Siklus Hatch-Slack Siklus Hatch-Slack Berdasarkan cara memproduksi glukosa, tumbuhan dapat dibedakan menjadi tumbuhan C3 dan C4. Tumbuhan C3 merupakan tumbuhan yang berasal dari daerah subtropis. Tumbuhan ini menghasilkan glukosa dengan pengolahan CO2 melalui siklus Calvin, yang melibatkan enzim Rubisco sebagai penambat CO2. Tumbuhan C3 memerlukan 3 ATP untuk menghasilkan molekul glukosa.[44] Namun, ATP ini dapat terpakai sia-sia tanpa dihasilkannya glukosa. Hal ini dapat terjadi jika ada fotorespirasi, di mana enzim Rubisco tidak menambat CO2 tetapi menambat O2. Tumbuhan C4 adalah tumbuhan 17 yang umumnya ditemukan di daerah tropis.[45]Tumbuhan ini melibatkan dua enzim di dalam pengolahan CO2 menjadi glukosa.[45] Enzim phosphophenol pyruvat carboxilase (PEPco) adalah enzim yang akan mengikat CO2 dari udara dan kemudian akan menjadi oksaloasetat.[45] Oksaloasetat akan diubah menjadi malat. Malat akan terkarboksilasi menjadi piruvat dan CO2. Piruvat akan kembali menjadi PEPco, sedangkan CO2 akan masuk ke dalam siklus Calvin yang berlangsung di sel bundle sheath dan melibatkan enzim RuBP. Proses ini dinamakan siklus Hatch Slack, yang terjadi di sel mesofil. Dalam keseluruhan proses ini, digunakan 5 ATP. 18 2.1.4. Faktor Yang Mempengaruhi Laju Fotosintesis Proses fotosintesis dipengaruhi beberapa faktor yaitu faktor yang dapat memengaruhi secara langsung seperti kondisi lingkungan maupun faktor yang tidak memengaruhi secara langsung seperti terganggunya beberapa fungsi organ yang penting bagi proses fotosintesis. Proses fotosintesis sebenarnya peka terhadap beberapa kondisi lingkungan meliputi kehadiran cahaya Matahari, suhu lingkungan, konsentrasi karbondioksida (CO2). Faktor lingkungan tersebut dikenal juga sebagai faktor pembatas dan berpengaruh secara langsung bagi laju fotosintesis. Faktor pembatas tersebut dapat mencegah laju fotosintesis mencapai kondisi optimum meskipun kondisi lain untuk fotosintesis telah ditingkatkan, inilah sebabnya faktor-faktor pembatas tersebut sangat memengaruhi laju fotosintesis yaitu dengan mengendalikan laju optimum fotosintesis. Selain itu, faktor-faktor seperti translokasi karbohidrat, umur daun, serta ketersediaan nutrisi memengaruhi fungsi organ yang penting pada fotosintesis sehingga secara tidak langsung ikut memengaruhi laju fotosintesis. Berikut adalah beberapa faktor utama yang menentukan laju fotosintesis : 1. Konsentrasi karbon dioksida. Semakin banyak karbon dioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapt digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis. 2. Suhu. Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim. 3. Kadar air. Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga fotosintesis. 19 mengurangi laju 4. Kadar fotosintat (hasil fotosintesis). Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang. 5. Tahap pertumbuhan. Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini mungkin dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh. 6. Cahaya Dalam proses fotosintesis, tanaman tidak dapat memanfaatkan semua pancaran radiasi matahari yg sampai ke permukaan bumi, tetapi hanya radiasi dg panjang gelombang 340-760 um (radiasi tampak / PAR) yg dapat dimanfaatkan. Spektrum cahaya tampak (PAR) yang paling efektif dimanfaatkan oleh tanaman hijau untuk melakukan proses fotosintesis adalah cahaya merah dan biru. Kelompok Tanaman Berdasarkan Responnya Thd Fotoperiodisitas 1. Tanaman hari panjang (long day plant) akan berbunga jika periode terang lebih panjang dari periode kritisnya. 2. Tanaman hari pendek (short day plant) akan berbunga jika periode terang lebih pendek dari periode kritisnya. 3. Tanaman netral (neutral day plant) akan berbunga tidak tergantung dari panjang hari. 20 Hubungan Antara Radiasi Cahaya Dengan Tanaman tergantung dari. 1. Tipe tanaman (C , C , dan CAM) 3 4 2. Aliran CO2 ke khloroplas, suhu dsbnya 3. Umur daun (keadaan khloroplas) Pada cahaya rendah: Fix. Cahaya oleh C3 > C4 > CAM. Pada cahaya tinggi: Fix. Cahaya oleh CAM > C4 > C3. Perbedaan Sifat Tanaman C3, C4, dan CAM.. A. Tanaman C3. 1. Lebih adaptif pada kondisi di bawah naungan atau di tempat yg intensitas cahayanya rendah. 2. Enzim yang menyatukan CO2 dengan RuDP dalam siklus calvin , juga dapat mengikat O2 pada saat yang bersamaan untuk proses fotorespirasi 3. Karbon dioxida masuk ke siklus calvin secara langsung dari udara 4. Disebut tumbuhan C3 karena produk awal reduksi CO2 / fiksasi CO2 dalam siklus calvin adalah asam 3 fosfogliserat (PGA), yaitu senyawa berkarbon 3. 5. Sebagian besar tumbuhan tinggi masuk ke dalam kelompok tumbuhan C3 : padi, kentang, kedelai, kacang-kacangan. 6. Apabila stomata menutup akibat stress, maka akan terjadi peningkatan fotorespirasi yaitu pengikatan O 2. 7. Fotorespirasinya tinggi. 21 B. Tanaman C4. 1. Adaptif di daerah yg intensitas cahayanya penuh, sepert jagung, tebu , rumput-rumputan. 2. CO2 diikat oleh PEP yang tidak dapat mengikat O2, sehingga tidak terjadi kompetisi antara CO2 dan O2. 3. Siklus calvin tidak mengikat CO2 langsung dari udara. 4. Sel seludang pembuluh berkembang dengan baik dan banyak mengandung kloroplas 5. Fotosintesis terjadi di dalam sel mesofil dan sel seludang pembuluh 6. Pengikatan CO2 di udara melalui siklus Daur Asam Dikarboksilat dalam sel mesofil menghasilkan asam oksaloasetat, malat, dan aspartat ( asam yg berkarbon 4) , kemudian CO2 yg dihasilkan direduksi melalui siklus calvin di dalam sel seludang pembuluh. 7. Fotorespirasinya rendah. C. Tanaman CAM. 1. adaptif di daerah panas dan kering, karena memiliki daun yg cukup tebal dan sempit shg transpirasinya rendah. 2. Sikuls calvin tidak mengikat CO2 langsung dari udara. 3. Umumnya tumbuhan yang beradaptasi pada keadaan kering seperti kaktus, anggrek dan nenas 4. Reduksi karbon pada sel mesofil melalui Daur asam dikarboksilat pada malam hari, dan siklus calvin pada siang hari. 5. Pada malam hari asam malat tinggi, pada siang hari asam malat rendah. 22 Pada awal abad ke-120, Frederick Frost Blackman bersama dengan Albert Einstein menyelidiki pengaruh intensitas cahaya (pemancaran) dan suhu terhadap tingkat asimilasi karbon. Pada suhu tetap, tingkat asimilasi karbon beragam dengan pemancaran, pada awalnya meningkat seiring peningkatan pemancaran. Akan tetapi, pada tingkat pemancaran yang lebih tinggi, hubungan ini tidak berlangsung lama dan tingkat asimilasi karbon menjadi konstan. Pada pemancaran tetap, tingkat asimilasi karbon meningkat seiring suhu meningkat pada cakupan terbatas. Pengaruh ini dapat dilihat hanya pada tingkat pemancaran yang tinggi. Pada pemancaran yang rendah, peningkatan suhu hanya memberikan sedikit pengaruh terhadap tingkat asimilasi karbon. 23 Dua eksperimen ini menggambarkan poin penting: Pertama, dari penelitian ini diketahui bahwa, secara umum, reaksi fotokimia tidak dipengaruhi oleh suhu. Akan tetapi, percobaan ini menunjukkan dengan jelas bahwa suhu mempengaruhi tingkat asimilasi karbon, jadi pasti ada dua rangkaian reaksi pada proses lengkap asimilasi karbon. Ini adalah tahap 'fotokimia' bergantung cahaya dan tahap bergantung suhu tetapi tak bergantung udara. Yang kedua, percobaan Blackman menunjukkan konsep faktor pembatas. Faktor pembatas lainnya adalah panjang gelombang cahaya. Cyanobacteria, yang hidup beberapa meter di bawah tanah tidak dapat memperoleh panjang gelombang yang tepat yang diperlukan untuk menghasilkan pemisahan bertenaga fotoinduksi pada pigmen fotosintesis konvensional. Untuk mengatasi permasalahan ini, serangkaian protein dengan pigmen-pigmen berbeda disebut fikobilisome. 24 mengelilingi pusat reaksi. Unit ini III. KATABOLISME Katabolisme adalah reaksi pemecahan / penguraian senyawa kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa tsb. 3.1. Respirasi Respirasi berasal dari kata latin bernapas. respirare, yang secara harfiah berarti Semua sel yang aktif terus menerus melakukan respirasi. Respirasi bukan hanya sekedar pertukaran gas, tetapi merupakan reaksi oksidasi-reduksi yaitu senyawa (substrat respirasi) dioksidasi menjadi CO2, sedangkan O2 yang diserap direduksi membentuk H2O. Pada tahun 1780-an, seorang ahli kimia bangsa prancis yaitu Lavoisier yang menyatakan bahwa respirasi adalah pembakaran yang diinterprestasikan secara tepat sebagai kombinasi kimia dari senyawa yang terbakar dengan oksigen. Ia juga dapat menunjukkan bahwa udara yang dikeluarkan pada waktu bernapas mengandung uap air. Dengan demikian, ia merupakan orang yang pertama dapat menunjukkan bahwa respirasi menghasilkan CO2 dan H2O. Gula cadangan yang terlarut (glukosa, fruktosa, sukrosa), lemak, protein, dan asam organik dapat berfungsi sebagai substrat respirasi. Glukosa merupakan substrat respirasi utama di dalam sel tumbuhan, dengan persamaan reaksi dapat ditulis sebagai berikut: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Reaksi diatas memberikan gambaran yang mengaburkan, karena sebenarnya O 2 di dalam respirasi tidak bereaksi secara langsung dengan glukosa. Seharusnya ada molekul-molekul air yang ditambahkan kepada produk intermediat penguraian 25 glukosa, yaiu satu molekul air untuk setiap atom C dalam glukosa, dan atom H di dalam produk intermediat bereaksi dengan O2 yang direduksikan menjadi air. Reaksi respirasi yang lebih terperinci adalah: C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 6 CO2 + 12 H2O 3.1.1. Pertukaran Gas dalam Respirasi Pertukaran gas dalam respirasi antara tumbuhan dengan lingkungan terjadi secara difusi. O2 yang digunakan dalam respirasi masuk ke dalam setiap sel tumbuhan secara difusi melalui ruang interselular antara sel, demikian pula halnya CO2 yang dihasilkan respirasi akan berdifusi ke luar sel dalam ruang interselular. O2 di dalam air daya larutnya rendah, hal ini menyebabkan tanah-tanah yang tergenang air pada umumnya kekurangan O2, sehingga banyak tanaman pertumbuhannya mengalami gangguan. Walaupun demikian, terdapat jenis tanaman tertentu seperti padi dapat tumbuh secara alami dengan perakarannya terendam dalam air dan dapat menyesuaikan dirinya pada keadaan tersebut, karena tanaman padi mempunyai rongga udara (aerenkima) disepanjang tubunya. O 2 masuk ke dalam tubuh tanaman melalui bagian tanaman yang berada di atas tanah yang tergenang, kemudian O2 berdifusi melalui rongga udara sehingga sampai ke sel meristem yang ada di ujung akar. 3.1.2 Faktor- Faktor yang Mempengaruhi Respirasi Proses respirasi pada tumbuhan sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: 1. Substrat respirasi. Respirasi sangat dipengaruhi oleh jenis substrat respirasi yang digunakan, hal ini terlihat dari nilai RQ yang dihasilkan. Respirasi quotien (RQ) adalah perbandingan antara CO2 yang dihasilkan 26 dengan O2 yang digunakan. RQ sangat dipengaruhi oleh jenis substrat yang digunakan, jika substrat respirasinya adalah karbohidrat (sukrosa dan pati) maka volume dilepaskan O2 yang diambil sehingga nilai RQ =1. sama dengan CO2 yang Sedangkan bila protein dan lemak sebagai substrat respirasi maka RQ-nya kurang dari 1, sebab banyak O2 yang diperlukan untuk mengubah lebih karbon menjadi CO 2 dan hidrogen menjadi H2O. Apabila gliserol trioleat sebagai substrat maka reaksi respirasinya adalah: C57H104O6 + 83 O2 57 C02 + 52 H2O Sedangkan bila asam organik seperti asam sitrat sebagai substrat respirasi, maka nilai RQ –nya lebih dari 1. 2 C6H8O7 + 9 O2 12 CO2 + 8 H2O Selain substrat respirasi, ada beberapa hal yang menyebabkan nilai RQ yang dihasilkan sulit diprediksi, seperti: a. Adanya dua jenis substrat respirasi yang digunakan bersamaan b. Perbedaan kelarutan dan difusi CO2 atau O2 Sekalipun RQ relatif lebih mudah diukur dan digunakan, namun indikator ini tidak dapat menggambarkan keadaan yang diharapkan, sebab ada berbagai reaksi dalam sel yang tidak berkaitan langsung dengan respirasi. Sebagai gambaran tanaman sekulen yang tergolong CAM, semua CO2 yang dihasilkan respirasi dapat diikat menjadi asam organik pada malam hari, sehingga menyebabkan nilai RQ-nya turun menjadi nol. Perbedaan kandungan gula akibat tidak berimbangnya laju fotosintasis 27 menyebabkan perbedaan laju respirasi. Sebagai contoh laju respirasi pada daun akan lebih cepat pada saat menjelang matahari tenggelam dibanding dengan menjelang matahari terbit, sebab pada saat menjelang matahari tenggelam kandungan gula yang dihasilkan melalui proses fotosintesis lebih banyak. Selain itu, daun yang berada di bagian bawah atau yang ternaungi biasanya respirasinya lebih lambat daripada daun yang berada di sebelah atas yang terkena cahaya lebih banyak, dan bila hal ini tidak terjadi maka daun disebelah bawah akan cepat mati. Apabila substrat gula habis maka substrat protein dapat digunakan, tetapi pertama-tama dihidrolisis terlebih dahulu menjadi asam amino (asam glutamat dan aspartat), kemudian baru dirombak oleh reaksi glikolisis dan daur Krebs. Asam glutamat dan aspartat pada daur Krebs masing- masing akan dirubah menjadi asam @ - ketoglutarat dan asam oksaloasetat. 2. Umur jaringan dan tipe jaringan. Jaringan muda dan dewasa respirasinya lebih kuat daripada jaringan tua, karena jaringan tersebut lebih aktif sehingga lebih banyak memerlukan energi. Sebagai contoh, kecepatan respirasi pada daun meningkat selama pertumbuhan, kemudian turun dan tetap saat memasuki periode pemasakan (maturity). Macam jaringan juga mempengaruhi kecepatan respirasi (Tabel 4.1). Tabel 1. Kecepatan respirasi pada berbagai jaringan tumbuhan Jaringan Kecepatan respirasi ( mikro mol O2 / jam) Berat segar (g) Biji kedelai 0,003 Kecambah gandum 65 28 Berat kering (g) - Daun gandum umur 5 hari 22 - Daun gandum umur 1 hari 8 - Akar wortel 1 - Umbi kentang 0,3 - Buah apel masak 0,5 - Ujung akar tomat - 300 Daun bunga matahari - 60 Biji kacang kapri - 70 3. Suhu sampai batas - batas tertentu (10o C – 300 C) menyebabkan kecepatan respirasi menjadi 2-2,5 kali lebih cepat untuk setiap kenaikan suhu 10o C. Secara kuantitatif dapat dinyatakan bahwa: Q1O = Kecepatan pada (t + 1O)o C Kecepatan pada t o C Apabila suhunya tinggi ( > 350C maka kecepatan respirasinya menurun, hal ini disebabkan oleh rusaknya ensim yang mempengaruhi proses tersebut, terbatasnya O2 karena berkurangnya kelarutan, dan lambatnya proses difusi. 4. Oksigen (O2). Persediaan oksigen sangat mempengaruhi proses respirasi, tetapi peranannya tergantung pada jenis tumbuhan. Pada umumnya, sistem udara antar sel dari daun ke akar sangat penting bagi tumbuhan berbatang hampa (rumput dan teki), sehingga lebih toleran terhadap penggenangan. Perendaman dalam jangka waktu yang lama akan menyebabkan keracunan hampir disemua tumbuhan, terutama bila tidak ada oksigen disekitar akar sehingga keadaan ini menjadi anaerob. 29 Diantara tanaman budidaya, hanya padi yang dikenal toleran terhadap anoksia untuk jangka waktu yang lama. Pada tumbuhan bakau tropika seperti Rhizophora mangle dan Avicennia nitida akarnya yang tumbuh tegak diatas air mengangkut oksigen ke akar yang terendam. Jadi akar yang terendam bukanlah anoksik, tetapi hipoksik (berada pada tingkat oksigen yang kurang). Beberapa spesies tanaman membentuk sistem akar serabut yang banyak ketika batangnya terendam, dan akar tesebut membantu penyerapan garam mineral dan air. Adaptasi morfologis lainnya dari akar terhadap hipoksia adalah pembentukan jaringan aerenkima, yaitu jaringan yang terbentuk bila ada kerusakan dan perombakan pada beberapa sel korteks dewasa, sehingga merupakan sebuah jaringan yang banyak ruang udara. Aerenkima memungkinkan difusi oksigen yang lebih cepat dari pucuk ke akar, yang akan membantu respirasi pada akar. Penyebab terbentuknya aerenkima nampaknya adalah etilen, dan gas ini dihasilkan dalam keadaan tanaman mengalami stres, tapi pada tanah yang tergenang etilen tidak dapat cepat berdifusi keluar. Selain itu kekurangan oksigen menyebabkan terhambatnya pengangkutan hormon sitokinin dari akar muda ke batang. Kekurangan oksigen juga menyebabkan terhambatnya penyerapan nitrogen sehingga menyebabkan lambatnya fotosintesis dan translokasi karbohidrat, sebab kekurangan oksigen akan menurunkan permeabilitas akar terhadap air, dan akumulasi bahan beracun yang disebabkan oleh mikroba di sekitar akar. Pasokan ATP menjadi terbatas karena pengangkutan elektron dan daur Krebs tidak dapat berfungsi tanpa oksigen. Selanjutnya produk fermentasi, khususnya etanol, asam laktat, asam malat dan sedikit gliserol terhimpun sampai jumlah tertentu. Respirasi aerob memerlukan adanya oksigen, tetapi apabila tidak ada oksigen maka 30 yang terjadi adalah respirasi anaerob atau fermentasi. Sebagai contoh biji melakukan fermentasi selama imbibisi air sehingga biji dapat berkecambah 5. Karbon dioksida (CO2). Apabila kandungan CO2 – nya tinggi (>0,03%) maka kecepatan respirasinya menurun, hal ini disebabkan oleh terhambatnya difusi O2 akibat menutupnya stomata. 6. Luka dan rangsangan mekanik. Pelukaan dan rangsangan mekanik seperti melengkungkan batang dapat meningkatkan respirasi, sebab: a. Terjadi peningkatan aktifitas ensim sehingga proses glikolisis dan katabolisme oksidatif meningkat. b. Diperlukan lebih banyak energi untuk memperbaiki bagian tanaman yang rusak yang diikuti oleh pembentukan kalus. 3.1.3. Garis Besar Metabolisme Respirasi. Gambar dibawah ini menunjukkan bahwa secara garis besar proses respirasi dibagi menjadi tiga bagian, yaitu: 1. Glikolisis 2. Siklus krebs / daur asam trikarboksilat 3. Rantai respirasi / rantai transpor electron 31 Sitoplasma Mitokondria Glukosa NAD+ Asam Piruvat DAUR KREBSK rebs O2 RANTAI RESPIRASI Rantai NADH H2O Lintasan utama metabolisme respirasi dalam sel tumbuhan 3.1.3.1. Glikolisis Glikolisis merupakan tahap pertama dari tiga fase respirasi, selanjutnya diikuti oleh daur krebs dan pengangkutan elektron yang terjadi di mitokondria (Gambar 2). Glikolisis mempunyai beberapa fungsi: 1. Mengubah satu molekul heksosa menjadi dua molekul asam piruvat. Setiap perubahan heksosa, dua molekul NAD+ direduksi menjadi NADPH (+2H+). NADH berperanan sangat penting, sebab akan dioksidasi oleh 0 2 di mitokondria menghasilkan NAD+ dan dua molekul ATP. Sedangkan NADH 32 yang tidak masuk ke mitokondria akan digunakan di dalam sitosol untuk meningkatkan berbagai proses reduktif anabolik Disini terlihat bahwa NADH dibentuk hanya pada satu tahap di glikolisis, yaitu saat oksidasi 3 posfogliseraldehid menjadi asam 1,3 diposfogliserat 2. Menghasilkan ATP. Secara keseluruhan glikolisis menghasilkan ATP, akan tetapi pada tahap awal terjadi penggunaan ATP. Ketiga glukosa atau fruktosa masuk glikolisis, masing-masing diposforilasi oleh ATP dan dikatalisis oleh heksikinase atau fruktokinase 3. Menghasilkan glukose 6 posfat dan fruktosa 6 posfat. Selanjutnya, fruktose 6 posfat diposforilasi pada karbon 1 oleh ATP lain untuk membentuk fruktosa 1,6 diposfat. Ensim yang berperanan dalam posforilasi ini dinamakan ATPPosfofruktokinase (ATP-PFK). Pada reaksi ini bisa terjadi dua rute yaitu: a. Pengubahan fruktosa 6 posfat menjadi fruktosa 1,6 di posfat., dengan bantuan ensim ATP- Posfofruktokinase (ATP-PFK). Perubahan glukosa atau fruktosa menjadi fruktosa 1,6 diposfat memerlukan dua ATP. Hal ini terjadi pada sel yang dewasa atau hampir dewasa. b. Melibatkan posforilasi karbon 1 dari fruktosa 6 fosfat dengan pirofosfat sebagai penyumbang posfat, dengan bantuan ensim pirofosfat posfofruktokinase (PPi-PFK). Jadi perubahan glukosa atau fruktosa menjadi fruktosa 1,6 difosfat melalui rute ini memerlukan satu ATP. Reaksi lain dari glikolisis adalah fruktosa 1,6 difosfat dipecah menjadi dua gula dengan tiga karbon terposforilasi, dan triosa posfat ini kemudian dioksidasi menjadi asam piruvat. Langkah ini menghasilkan dua ATP dari setiap triosa posfat, menjadi empat ATP untuk setiap glukosa atau fruktosa yang terespirasi. Hasil empat ATP dikurangi dua (atau satu) yang diperlukan untuk membentuk fruktosa 1,6 diposfat, sehingga menghasilkan neto dua atau tiga ATP untuk setiap heksosa yang digunakan dalam glikolisis. Reaksi di bawah menunjukkan 33 bahwa dua ATP sebagai produk neto, tetapi melalui rute PPi-PFK akan menghasilkan tiga ATP. Rangkuman persamaan reaksi glikolisis adalah: Glukosa +2 NAD + + 2 ADP 2- + 2 H2PO4- --- 2 Piruvat + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP 3- + 2H2O. Reaksi Glikolisis 34 3.1.3.2. Fermentasi Walaupun glikolisis dapat berfungsi dengan baik tanpa O2, akan tetapi oksidasi lebih lanjut dari piruvat dan NADH oleh mitokondria memerlukan oksigen. Karena itu, bila oksigen terbatas maka NADH dan piruvat mulai tertimbun. Keadaan ini menyebabkan tumbuhan melakukan respirasi anaerobik atau fermentasi, yaitu membentuk etanol atau asam laktat seperti terlihat pada gambar 4.3. Pertama-tama terjadi reaksi dekarboksilasi untuk membentuk asetaldehid, kemudian direduksi oleh NADH membentuk etanol. Semua reaksi dikatalisis oleh ensim asam piruvat dekarboksilase dan alkohol dehidrogenase. Beberapa sel mengandung asam laktat dehidrogenase yang menggunakan NADH untuk mereduksi piruvat menjadi asam laktat. Etanol atau asam laktat, atau keduanya merupakan produk fermentasi. Pada setiap keadaan, NADH pereduksi dan hanya pada keadaan anaerobiklah NADH tersedia dalam 35 CO2 CH3 - C – COOH NADH + H+ NAD+ CH3 - C- H O O asam piruvat Asetaldehid CH3 – CH2OH Etanol NADH + H+ CH3 – CH - COOH NAD+ OH Asam laktat jumlah yang cukup banyak untuk menjalankan reduksi. Lebih jauh pada beberapa tumbuhan, NADH digunakan untuk menimbun senyawa lain bila O2 terbatas terutama asam malat dan gliserol. 3.1.3.3. Daur Krebs / Daur Asam Trikarboksilat (TCA) Langkah awal menuju daur krebs menyangkut oksidasi dan hilangnya CO2 dari piruvat, dan penggabungan sisa unit asetat 2 karbon dengan senyawa yang mengandung belerang, yakni ko-ensim A (COA) membentuk asetil COA: 36 CH3 - C - ScoA O Peran CoA dalam daur krebs ini menyebabkan mengapa belerang termasuk hara esensial. Reaksi dekarboksilasi piruvat juga melibatkan (vitamin B1) sebagai gugus prostetik, hal ini yang menyebabkan terfosforilasi tiamin bahwa pentingnya vitamin B1 pada tumbuhan dan hewan. Disamping hilangnya CO2, dua atom hidrogen diambil dari asam piruvat selama pembentukan asetil CoA. Ensim yang mengkatalisisnya secara lengkap ialah asam piruvat dehidrogenase. hidrogen Atom yang diambil dari piruvat akhirnya diterima oleh NAD+, menghasilkan NADH. Reaksi ini dan reaksi daur Krebs lainnya dapat dilihat pada gambar 4.4. Daur Krebs melakukan pengambilan beberapa elektron dari asam organik antara dan mengangkut elektron tersebut ke NAD+ atau ke ubikuinon. Tidak ada ensim dehidrogenase dari daur ini yang menggunakan NADP+ sebagai penerima elektron, dan NADP+ biasanya hampir tidak terdeteksi di dalam mitokondria tumbuhan. Keadaan yang berlawanan dengan kloroplas adalah kandungan NADP pada kloroplas sangat berlimpah, sedangkan NAD+ lebih sedikit. Tidak saja NADH dan ubikuinol merupakan produk penting dari krebs, tetapi juga satu molekul ATP dibentuk dari ADP dan Pi selama pengubahan suksinat koensim A menjadi asam suksinat. Dua molekul CO2 tambahan (Gambar 4.4) dilepas selama reaksi daur Krebs, sehingga terjadi kehilangan neto kedua atom karbon dari Pelepasan CO2 pada daur Krebs menjelaskan asetil CoA. bahwa adanya produk CO2 dari rangkuman respirasi, tetapi tidak ada O2 yang diserap selama reaksi daur Krebs. 37 Fungsi utama daur Krebs ialah sebagai berikut: 1. Reduksi NAD+ dan ubikuinon menjadi elektron donor NADH dan ubikuinol, yang akan dioksidasi untuk menghasilkan ATP. 2. Sintesis langsung ATP dalam jumlah terbatas (satu ATP untuk setiap piruvat yang dioksidasi). 3. Pembentukan kerangka karbon yang dapat digunakan untuk mensintesis asam amino tertentu yang kemudian akan diubah menjadi molekul yang lebih besar (Gambar 4). 38 Dua piruvat yang dihasilkan dalam glikolisis dari tiap glukosa menyebabkan reaksi keseluruhan daur Krebs dapat ditulis sebagai berikut: 2 piruvat + 8 NAD+ + 2 ubikuinon + 2 ADP2- + 2 H2PO4- + 4H2O 6CO2 + 2ATP3- + 8 NADH + 8H+ + 2 ubikuinol. 3.1.3.4. Rantai Respirasi Oksidatif NADH yang ada glikolisis, daur / Sistem Pengangkutan Elektron dan Fosforilasi di mitokondria berasal dari tiga proses utama, yaitu Krebs, dan oksidasi glisin (di daun ) yang dihasilkan selama fotorespirasi. Bila NADH dioksidasi akan dihasilkan ATP, dengan cara yang serupa ubikuinol yang dihasilkan oleh asam suksinat dehidrogenase dalam daur Krebs juga dioksidasi untuk menghasilkan ATP. Walaupun oksidasi ini melibatkan pengambilan O2 dan pembentukan H20, baik NADH ataupun ubikuinol tidak dapat bergabung secara langsung dengan O2 untuk membentuk H2O. Yang terjadi, elektronnya ditransfer melalui beberapa senyawa antara sebelum H2O terbentuk. Pembawa elektron ini merupakan sistem pengangkutan elektron mitokondria. Pengangkutan elektron dimulai dari pembawa elektron yang secara termodinamika sulit untuk direduksi, yaitu yang mempunyai potensial reduksi negatif ke pembawa yang mempunyai potensial reduksi yang positif. Oksigen mempunyai kemampuan yang lebih besar untuk menerima elektron guna membentuk H2O. Setiap pembawa dari sistem tersebut biasanya menerima elektron dari pembawa sebelumnya yang terdekat. Seperti pengangkutan elektron pada kloroplas, transfer elektron dari molekul air ke sistem mitokondria melibatkan sitokrom (empat jenis b dan dua jenis C) dan beberapa kuinon khususnya ubikuinon. Juga terdapat beberapa flavoprotein (riboflavin yang mengandung protein), beberapa protein besi-belerang 39 (Fe-S) yang serupa dengan feredoksin, sebuah ensim sitokrom oksidase, dan beberapa pembawa elektron lainnya yang belum diidentitifikasi. Sitokrom dan sitokrom oksidase mengandung besi sebagai bagian dari gugus heme. Flavoprotein mengandung flavin adenin dinukleotida (FAD) atau flavin adenin dinukleotida (FMN) sebagai gugus prostetik. Sitokrom dan protein Fe-S setiap kali hanya dapat menerima atau mentransfer satu eketron. Ubikuinon seperti plastokuinon kloroplas, menerima dan mentransfer dua elektron dan dua H+, hal yang sama juga terjadi pada flavoprotein. Ubikuinon dan flavoprotein sangat penting dalam pembentukan gradien pH antara matrik (pH sekitar 8,5) yang melintasi membran dalam ke ruang antar membran (pH mendekati 7), sebab menurut teori kemiosmotik Mitchell gradien pH ini mendorong pembentukan ATP dan ADP dan Pi. Pembentukan ATP dari ADP dan Pi di mitokondria, secara tidak langsung didorong oleh kecendrungan O2 secara termodinamika untuk tereduksi, dan proses ini disebut fosforilasi oksidatif. Di kloroplas, fosforilasi dikatalisis oleh ATP sintase tilakoid, dan melintasi membran dalam. ATP yang terbentuk diangkut menuju sitosol oleh transpor balasan dengan ADP berikutnya. ATP kemudian segera dipindahkan dengan cara melintasi membran luar yang jauh lebih permeabel menuju sitosol. Membran luar mempunyai porin dan saluran yang mampu dilalui oleh molekul dengan bobot kurang dari 5 kDa, sehingga dengan mudah nukleotida dan berbagai metabolik lainnya dapat melewati membran itu . Posfat juga diperlukan dalam pembentukan ATP, dan akan dibawa melewati membran dalam yang jauh kurang permeabel ke dalam matrik oleh dua sistem transpor yang sacara bersamaan membawa OH- atau asam dikarboksilat, misalnya asam malat keluar dari matrik menuju ruang antar membran. Gambar 4.6 menunjukkan bahwa lintasan utama pengangkutan elktron dimulai dari NADH + H+ yang terbentuk dimatrik oleh ensim daur Krebs. Kedua 40 elektron dan kedua H+ menuju flavoprotein yang mengandung FMN, lalu membawa elektron ke protein Fe-S. Besi dalam Fe-S ini dapat menerima hanya satu elektron dan tidak menerima H+ , kedua H+ ditransfer ke dalam ruang antar membran. Ini merupakan langkah pertama dari empat langkah yang dilakukan sepasang H + untuk pindah dari matrik melawati membran dalam mitokondria bersama-sama dengan dua elektron. Fe-S tereduksi akan memindahkan elektron ke ubikuinon (UQ), dengan cara 2H+ yang diambil dari matriks akan tereduksi menjadi ubikuinol (UQH2). Dari UQH2, elektron akan pindah satu persatu menuju keberbagai sitokrom b. Kedua H+ dari UQH2 ditransfer ke luar ruangan antarmembran. Protein Fe-S lainnya akan menerima dan mentransfer elektron ke Fe3+ di sitokrom C1 dengan pengeluaran ketiga dari sepasang H+. cara Dari sitokrom C1, elektron diterima oleh sitokrom C kemudian ditransfer ke O2 membentuk H2O yang dikatalisis oleh sitokrom oksidase. Oksidase ini mengandung komponen a dan a3 yang tidak terpisahkan, dan juga beberapa polipeptida lainnya yang total mengandung dua ion tembaga yang menjalani oksidasi-reduksi antara bentuk Cu+ dan Cu 2+. Kedua tembaga tersebut terlibat dalam pengangkutan elektron antara komponen besi dari sitokrom a dan a 3. Oksidasi sitokrom C oleh sitokrom oksidase dengan cara memindahkan sepasang H + dari matriks ke ruang antarmembran (Gambar 4.6). Setiap NADH yang di lepas pada glikolisis (Gambar 4.6), dan setiap ubikuinol yang dibentuk pada daur Krebs oleh oksidasi suksinat hanya dua ATP yang terbentuk, sebab molekul NADH dan UQH2 menyumbang elektron ke rantai pengangkutan hanya setelah pasangan pertama H+ di lintasan utama telah menuju ruang antar membran, sehingga terjadi perbedaan pH yang lebih kecil sepanjang membran dibanding ketika dioksidasi. Setiap NADH yang berasal dari glikolisis di sitosol, dua flavoprotein (FP) yang mengandung NADH dehidrogenase akan muncul dipermukaan luar membran dalam, seperti tampak pada gambar 4.6. Selanjutnya NADPH (sebagai lintasan pentosa fosfat dapat dioksidasi oleh dehidrogenase). 41 Kemampuan mitokondria tumbuhan untuk mengoksidasi NADH dan NADPH sitosol secara langsung, tidak ada pada mitokondria hewan (hewan mempunyai ensim transhidrogenase yang mengangkut elektron dari NADPH ke NAD+, membentuk NADP+ dan NADH, dan mereka menggunakan pembawa khusus untuk memindahkan pasangan elektron dari NADH ke matrik). Ubikuinol yang dihasilkan di daur Krebs dioksidasi serupa dengan yang di mitokondria tumbuhan maupun hewan, elektronnya diambil dari sitokrom b sehingga H-nya akan melintasi membran ke ruang antarmembran. Dua ATP terbentuk dari setiap ubikuinol yang berasal dari suksinat di daur Krebs. Fosforilasi oksidatif dari semua substrat yang ada di mitokondria dilepas dari pengangkutan elektron oleh berbagai senyawa pemecah, sama seperti di kloroplas. Sebagian besar senyawa ini menetralkan gradien pH dengan membawa H + ke dalam matriks dan mencegah fosforilasi oksidatif, akan tetapi tetap mempertahankan kelangsungan pengangkutan elektron. Kadangkala pengangkutan ini berlangsung lebih cepat, kemungkinan karena adanya tekanan balik dari gradien pH. Dinitrofenol memecahkan lebih efektif di mitokondria daripada di kloroplas, demikian juga berbagai senyawa lainnya. Pada konsentrasi yang tepat, dinitrofenol dapat mempercepat memperkecil pengangkutan elektron dan respirasi, karena dapat gradien pH sepanjang membran dalam dan memungkinkan H + diangkut keluar dengan lebih mudah oleh faktor perangkai ATP-ase. Ion amonium yang secara kuat melepaskan fosforilasi fotosintesis di kloroplas, dinitrofenol merupakan penghambat yang kurang potensial dibanding dengan fosforilasi oksidatif di mitokondria. Bahkan mitokondria toleran terhadap NH4+ sampai dengan 20 mM. Sebagian dari ketahanan ini berhubungan dengan melimpahnya NH4 + di dalam mitokondria yang timbul di daun dari dekarboksilasi oksidatif glisin selama fotorespirasi. 42 Ada juga senyawa lain yang menghambat fosforilasi oksidatif atau pengangkut elektron. Sebagai contoh, dua penghambat fosforilasi yang potensial adalah oligomisin, yaitu antibiotika yang dihasilkan oleh spesies Streptomyces, dan asam bongkrekat yaitu antibiotika yang dihasilkan oleh spesies Pseudomonas yang tumbuh pada ampas kelapa yang terinfeksi oleh jemur bongkrek. Oligomisin menghambat pembentukan ATP oleh ATP- ase, sedangkan asam bongkrekat menghambat pembentukan ATP dengan menghadang sistem transpor balasan yang membawa ADP dari ruang antarmembran menuju matrik dalam pertukaran dengan ATP. Tanpa ADP ini, fosforilasi oksidatif tidak akan berlangsung, Antimisin A, juga dari Streptomyces, menghadang pengangkutan elektron pada atau dekat tahap sitokrom b ke protein Fe-S (Gambar 4.6). 3.3.5. Perhitungan Energi Glikolisis, Daur Krebs, dan Rantai Respirasi. Bila seluruh heksosa dioksidasi menjadi CO2 dan H2O menggunakan tiga proses tersebut, maka energi sebagai produk sebagian besar terdapat dalam bentuk ATP. Namun, berapa banyak yang terdapat di ATP dan berapa yang hilang sebagai bahan. Untuk menjawab pertanyaan itu, perhatikan pada glikolisis yaitu perubahan glukosa menjadi fruktosa 1,6 diposfat memerlukan dua ATP, akan tetapi segera akan menghasilkan ATP yaitu pada perubahan asam 1,3 diposfogliserat menjadi asam 3 posfogliserat, dan asam posfoenol piruvat menjadi asam piruvat, masing-masing dua molekul ATP. Disamping itu Dua molekul NADH (Satu NADH setara dengan tiga ATP) dihasilkan pada proses oksidasi gliseraldehid 3 posfat menjadi asam 1,3 diposfogliserat, sehingga jumlah neto tenaga yang dihasilkan menjadi 8 ATP. Ini berarti hanya kira-kira 60 kcal (8x -7300 cal) / molekul glukosa atau kira-kira 10% daripada jumlah tenaga yang tersedia di dalam glukosa yang dibebaskan. Beberapa tenaga yang dibebaskan pada perubahan glukosa menjadi asam piruvat dalam bentuk panas, tetapi lebih besar tenaga yang ada pada glukosa 43 masih tersimpan di dalam molekul asam piruvat dan tenaga ini akan dibebaskan pada reaksi daur Krebs. dua piruvat Daur Kreb menyumbang dua ATP per heksosa atau per bila suksinil CoA dipecah menjadi suksinat dan CoASH (Gambar 1.4). Daur ini juga menghasilkan delapan NADH per heksosa di matriks mitokondria, melalui fosforilasi oksidatif tiap NADH menghasilkan tiga ATP, atau 24 ATP per heksosa. Selain itu daur Kreb juga menghasilkan dua molekul ubikuinol ( satu ubikuinol setara dengan dua ATP) atau empat ATP per heksosa atau per dua piruvat. Jadi total ATP sumbangan Daur Kreb ialah 30 ATP, ditambah 8 ATP dari glikolisis sehingga menjadi 38 ATP per heksosa. Oksidasi sempurna satu molekul glukosa menjadi CO2 + H2O menghasilkan tenaga bebas – 686.000 cal. Tetapi melalui proses glikolisis dan daur Kreb, menghasilkan 38 ATP (38x -7300 cal) = -277.000 cal. Jadi panas yang dibebaskan dapat dikurangi menjadi -686.000 cal – (-277.000 cal) = - 409.000 cal. pengubahan tenaganya + -277.000/ -686.000 x 100% = 40 %. 44 Efisiensi DAFTAR PUSTAKA Bidwell, R.G.S. 1979. Plant Physiology. Second ed., Macmillan Publishing Co. Inc. New York. Salisbury, F.B. and C.W. Ross. 1992. Plant Physiology. Penerbit ITB. Bandung. Noggle, R.R., G.J. Fritz. 1977. Introductory Plant Physiology. Printice Hall Of India Prive Limited, New Delhi. Suseno, H. 1074. Fisiologi Tumbuhan. Metabolisme Dasar dan Beberapa Aspeknya. Departemen Botani. Fakultas Pertanian, IPB Bogor. 45