Fotosintesis adalah serangkaian proses pembentukan energi cahaya menjadi energi ikatan kimia bahan organik dengan partisipasi pewarna fotosintesis.

Jenis nutrisi ini merupakan ciri khas tumbuhan, prokariota dan beberapa jenis eukariota uniseluler.

Selama sintesis alami, karbon dan air, ketika berinteraksi dengan cahaya, diubah menjadi glukosa dan oksigen bebas:

6CO2 + 6H2O + energi cahaya → C6H12O6 + 6O2

Fisiologi tumbuhan modern memahami konsep fotosintesis sebagai fungsi fotoautotrofik, yaitu serangkaian proses penyerapan, transformasi, dan penggunaan kuanta energi cahaya dalam berbagai reaksi non-spontan, termasuk konversi karbon dioksida menjadi bahan organik.

Fase

Fotosintesis pada tumbuhan terjadi pada daun melalui kloroplas- organel membran ganda semi-otonom yang termasuk dalam kelas plastida. Bentuk pelat lembaran yang datar memastikan penyerapan berkualitas tinggi dan penggunaan penuh energi cahaya dan karbon dioksida. Air yang dibutuhkan untuk sintesis alami berasal dari akar melalui jaringan penghantar air. Pertukaran gas terjadi secara difusi melalui stomata dan sebagian melalui kutikula.

Kloroplas diisi dengan stroma yang tidak berwarna dan ditembus oleh lamela, yang bila dihubungkan satu sama lain akan membentuk tilakoid. Di sanalah fotosintesis terjadi. Cyanobacteria sendiri merupakan kloroplas, sehingga alat sintesis alami di dalamnya tidak dipisahkan menjadi organel tersendiri.

Fotosintesis berlangsung dengan partisipasi pigmen, yang biasanya berupa klorofil. Beberapa organisme mengandung pigmen lain, karotenoid atau phycobilin. Prokariota memiliki pigmen bakterioklorofil, dan organisme ini tidak melepaskan oksigen setelah sintesis alami selesai.

Fotosintesis melewati dua fase - terang dan gelap. Masing-masing dicirikan oleh reaksi dan interaksi zat tertentu. Mari kita lihat lebih dekat proses fase-fase fotosintesis.

Lampu

Fase pertama fotosintesis ditandai dengan pembentukan produk berenergi tinggi, yaitu ATP, sumber energi seluler, dan NADP, zat pereduksi. Pada akhir tahap, oksigen diproduksi sebagai produk sampingan. Tahap cahaya tentu terjadi dengan sinar matahari.

Proses fotosintesis terjadi di membran tilakoid dengan partisipasi protein transpor elektron, ATP sintetase dan klorofil (atau pigmen lainnya).

Fungsi rantai elektrokimia, yang melaluinya elektron dan sebagian proton hidrogen ditransfer, terbentuk dalam kompleks kompleks yang dibentuk oleh pigmen dan enzim.

Deskripsi proses fase cahaya:

  1. Ketika sinar matahari menyinari helaian daun organisme tumbuhan, elektron klorofil dalam struktur lempeng tersebut tereksitasi;
  2. Dalam keadaan aktif, partikel meninggalkan molekul pigmen dan mendarat di sisi luar tilakoid yang bermuatan negatif. Hal ini terjadi bersamaan dengan oksidasi dan reduksi selanjutnya dari molekul klorofil, yang mengambil elektron berikutnya dari air yang masuk ke daun;
  3. Kemudian terjadi fotolisis air dengan pembentukan ion, yang menyumbangkan elektron dan diubah menjadi radikal OH yang dapat berpartisipasi dalam reaksi selanjutnya;
  4. Radikal ini kemudian bergabung membentuk molekul air dan oksigen bebas yang dilepaskan ke atmosfer;
  5. Membran tilakoid memperoleh muatan positif di satu sisi karena ion hidrogen, dan di sisi lain bermuatan negatif karena elektron;
  6. Ketika perbedaan 200 mV tercapai antara sisi membran, proton melewati enzim ATP sintetase, yang mengarah pada konversi ADP menjadi ATP (proses fosforilasi);
  7. Dengan pelepasan atom hidrogen dari air, NADP+ direduksi menjadi NADP H2;

Sementara oksigen bebas dilepaskan ke atmosfer selama reaksi, ATP dan NADP H2 berpartisipasi dalam fase gelap sintesis alami.

Gelap

Komponen wajib untuk tahap ini adalah karbon dioksida, yang terus-menerus diserap oleh tanaman lingkungan luar melalui stomata pada daun. Proses fase gelap terjadi di stroma kloroplas. Karena banyak energi matahari tidak diperlukan pada tahap ini dan akan ada cukup ATP dan NADP H2 yang dihasilkan selama fase cahaya, reaksi dalam organisme dapat terjadi baik siang maupun malam. Proses pada tahap ini terjadi lebih cepat dibandingkan tahap sebelumnya.

Totalitas semua proses yang terjadi pada fase gelap disajikan dalam bentuk rantai unik transformasi berurutan karbon dioksida yang berasal dari lingkungan luar:

  1. Reaksi pertama dalam rantai tersebut adalah fiksasi karbon dioksida. Kehadiran enzim RiBP-karboksilase berkontribusi pada jalannya reaksi yang cepat dan lancar, yang menghasilkan pembentukan senyawa enam karbon yang terurai menjadi 2 molekul asam fosfogliserat;
  2. Kemudian terjadi siklus yang agak rumit, termasuk sejumlah reaksi tertentu, setelah selesainya asam fosfogliserat diubah menjadi gula alami - glukosa. Proses ini disebut siklus Calvin;

Selain gula, juga terjadi pembentukan asam lemak, asam amino, gliserol dan nukleotida.

Inti dari fotosintesis

Dari tabel yang membandingkan fase terang dan gelap sintesis alami, Anda dapat menjelaskan secara singkat esensi dari masing-masing fase tersebut. Fase cahaya terjadi di grana kloroplas dengan penyertaan wajib energi cahaya dalam reaksi. Reaksi tersebut melibatkan komponen seperti protein transfer elektron, ATP sintetase dan klorofil, yang bila berinteraksi dengan air, membentuk oksigen bebas, ATP dan NADP H2. Untuk fase gelap, yang terjadi di stroma kloroplas, sinar matahari tidak diperlukan. ATP dan NADP H2 yang diperoleh pada tahap sebelumnya, ketika berinteraksi dengan karbon dioksida, membentuk gula alami (glukosa).

Seperti dapat dilihat di atas, fotosintesis tampaknya merupakan fenomena yang agak kompleks dan bertingkat, termasuk banyak reaksi yang melibatkan zat yang berbeda. Sebagai hasil sintesis alami, diperoleh oksigen, yang diperlukan untuk respirasi organisme hidup dan perlindungannya dari radiasi ultraviolet melalui pembentukan lapisan ozon.

Fotosintesis adalah konversi energi cahaya menjadi energi ikatan kimia senyawa organik.

Fotosintesis merupakan ciri tumbuhan, termasuk semua alga, sejumlah prokariota, termasuk cyanobacteria, dan beberapa eukariota uniseluler.

Dalam kebanyakan kasus, fotosintesis menghasilkan oksigen (O2) sebagai produk sampingan. Namun, hal ini tidak selalu terjadi karena ada beberapa jalur fotosintesis yang berbeda. Dalam hal pelepasan oksigen, sumbernya adalah air, dari mana atom hidrogen dipecah untuk kebutuhan fotosintesis.

Fotosintesis terdiri dari banyak reaksi yang melibatkan berbagai pigmen, enzim, koenzim, dll.Pigmen utama adalah klorofil, selain itu - karotenoid dan fikobilin.

Di alam, dua jalur fotosintesis tumbuhan umum terjadi: C 3 dan C 4. Organisme lain memiliki reaksi spesifiknya sendiri. Semua proses yang berbeda ini disatukan dalam istilah "fotosintesis" - di semua proses tersebut, secara total, energi foton diubah menjadi ikatan kimia. Sebagai perbandingan: selama kemosintesis, energi diubah ikatan kimia beberapa senyawa (anorganik) dan lainnya - organik.

Ada dua fase fotosintesis - terang dan gelap. Yang pertama bergantung pada radiasi cahaya (hν), yang diperlukan agar reaksi dapat terjadi. Fase gelap tidak bergantung pada cahaya.

Pada tumbuhan, fotosintesis terjadi di kloroplas. Sebagai hasil dari semua reaksi, zat organik primer terbentuk, dari mana karbohidrat, asam amino, asam lemak, dll kemudian disintesis.Reaksi total fotosintesis biasanya ditulis dalam kaitannya dengan glukosa - produk fotosintesis yang paling umum:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Atom oksigen yang termasuk dalam molekul O2 diambil bukan dari karbon dioksida, melainkan dari air. Karbon dioksida - sumber karbon, mana yang lebih penting. Berkat pengikatannya, tanaman mempunyai kemampuan untuk mensintesis bahan organik.

Reaksi kimia yang disajikan di atas bersifat umum dan total. Ini jauh dari inti prosesnya. Jadi glukosa tidak terbentuk dari enam molekul karbon dioksida yang terpisah. Pengikatan CO 2 terjadi satu molekul pada satu waktu, yang mula-mula berikatan dengan gula lima karbon yang sudah ada.

Prokariota memiliki ciri-ciri fotosintesisnya masing-masing. Jadi, pada bakteri, pigmen utamanya adalah bakterioklorofil, dan oksigen tidak dilepaskan, karena hidrogen tidak diambil dari air, tetapi seringkali dari hidrogen sulfida atau zat lain. Pada alga biru-hijau, pigmen utamanya adalah klorofil, dan oksigen dilepaskan selama fotosintesis.

Fase terang fotosintesis

Dalam fase terang fotosintesis, ATP dan NADP H 2 disintesis karena energi radiasi. Itu terjadi pada kloroplas tilakoid, di mana pigmen dan enzim membentuk kompleks kompleks untuk memfungsikan sirkuit elektrokimia yang melaluinya elektron dan sebagian proton hidrogen ditransmisikan.

Elektron pada akhirnya berakhir di koenzim NADP, yang bila bermuatan negatif, menarik beberapa proton dan berubah menjadi NADP H 2 . Selain itu, akumulasi proton di satu sisi membran tilakoid dan elektron di sisi lain menciptakan gradien elektrokimia, yang potensinya digunakan oleh enzim ATP sintetase untuk mensintesis ATP dari ADP dan asam fosfat.

Pigmen utama fotosintesis adalah berbagai klorofil. Molekulnya menangkap radiasi dari spektrum cahaya tertentu yang sebagian berbeda. Dalam hal ini, beberapa elektron molekul klorofil berpindah ke tempat yang lebih tinggi tingkat energi. Ini adalah keadaan tidak stabil, dan secara teori, elektron, melalui radiasi yang sama, harus melepaskan energi yang diterima dari luar ke ruang angkasa dan kembali ke tingkat sebelumnya. Namun, dalam sel fotosintetik, elektron tereksitasi ditangkap oleh akseptor dan, dengan penurunan energinya secara bertahap, ditransfer sepanjang rantai pembawa.

Ada dua jenis fotosistem pada membran tilakoid yang memancarkan elektron ketika terkena cahaya. Fotosistem adalah kompleks kompleks yang sebagian besar terdiri dari pigmen klorofil dengan pusat reaksi tempat elektron dikeluarkan. Dalam fotosistem, sinar matahari menangkap banyak molekul, namun seluruh energi dikumpulkan di pusat reaksi.

Elektron dari fotosistem I, melewati rantai pengangkut, mereduksi NADP.

Energi elektron yang dilepaskan dari fotosistem II digunakan untuk sintesis ATP. Dan elektron fotosistem II sendiri mengisi lubang elektron fotosistem I.

Lubang-lubang fotosistem kedua diisi dengan elektron-elektron yang dihasilkan fotolisis air. Fotolisis juga terjadi dengan partisipasi cahaya dan terdiri dari penguraian H 2 O menjadi proton, elektron dan oksigen. Sebagai hasil fotolisis air maka oksigen bebas terbentuk. Proton terlibat dalam menciptakan gradien elektrokimia dan mengurangi NADP. Elektron diterima oleh klorofil fotosistem II.

Perkiraan persamaan ringkasan untuk fase cahaya fotosintesis:

H 2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP H 2 + 2ATP

Transportasi elektron siklik

Disebut fase cahaya fotosintesis non-siklus. Apakah masih ada lagi transpor elektron siklik ketika reduksi NADP tidak terjadi. Dalam hal ini, elektron dari fotosistem I menuju ke rantai transporter, tempat terjadinya sintesis ATP. Artinya, rantai transpor elektron ini menerima elektron dari fotosistem I, bukan II. Fotosistem pertama, seolah-olah, mengimplementasikan sebuah siklus: elektron yang dipancarkannya dikembalikan ke sana. Sepanjang jalan, mereka menghabiskan sebagian energinya untuk sintesis ATP.

Fotofosforilasi dan fosforilasi oksidatif

Fase terang fotosintesis dapat dibandingkan dengan tahap respirasi sel - fosforilasi oksidatif, yang terjadi pada krista mitokondria. Sintesis ATP juga terjadi di sana karena transfer elektron dan proton melalui rantai pembawa. Namun, dalam kasus fotosintesis, energi disimpan dalam ATP bukan untuk kebutuhan sel, tetapi terutama untuk kebutuhan fase gelap fotosintesis. Dan jika pada saat respirasi sumber energi awal adalah zat organik, maka pada saat fotosintesis adalah sinar matahari. Sintesis ATP selama fotosintesis disebut fotofosforilasi dibandingkan fosforilasi oksidatif.

Fase gelap fotosintesis

Untuk pertama kalinya, fase gelap fotosintesis dipelajari secara rinci oleh Calvin, Benson, dan Bassem. Siklus reaksi yang mereka temukan kemudian disebut siklus Calvin, atau fotosintesis C3. Pada kelompok tumbuhan tertentu, jalur fotosintesis yang dimodifikasi diamati - C 4, juga disebut siklus Hatch-Slack.

Dalam reaksi gelap fotosintesis, CO2 difiksasi. Fase gelap terjadi di stroma kloroplas.

Reduksi CO2 terjadi karena energi ATP dan gaya reduksi NADP H2 yang terbentuk pada reaksi terang. Tanpa mereka, fiksasi karbon tidak akan terjadi. Oleh karena itu, meskipun fase gelap tidak bergantung langsung pada cahaya, biasanya fase gelap juga terjadi pada cahaya.

siklus Calvin

Reaksi pertama fase gelap adalah penambahan CO2 ( karboksilasie) menjadi 1,5-ribulose bifosfat ( Ribulosa-1,5-bifosfat) – tulang rusuk. Yang terakhir adalah ribosa terfosforilasi ganda. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim ribulosa-1,5-difosfat karboksilase, disebut juga rubisco.

Sebagai hasil karboksilasi, terbentuk senyawa enam karbon yang tidak stabil, yang sebagai hasil hidrolisis, terurai menjadi dua molekul tiga karbon. asam fosfogliserat (PGA)- produk fotosintesis pertama. PGA juga disebut fosfogliserat.

RiBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK

FHA mengandung tiga atom karbon, salah satunya merupakan bagian dari gugus karboksil asam (-COOH):

Gula tiga karbon (gliseraldehida fosfat) terbentuk dari PGA triosa fosfat (TP), sudah termasuk gugus aldehida (-CHO):

FHA (3-asam) → TF (3-gula)

Reaksi ini memerlukan energi ATP dan daya reduksi NADP H2. TF adalah karbohidrat pertama yang melakukan fotosintesis.

Setelah itu, sebagian besar triosa fosfat digunakan untuk regenerasi ribulosa bifosfat (RiBP), yang sekali lagi digunakan untuk memperbaiki CO2. Regenerasi mencakup serangkaian reaksi yang memakan ATP yang melibatkan gula fosfat dengan jumlah atom karbon dari 3 hingga 7.

Siklus RiBF ini adalah siklus Calvin.

Sebagian kecil TF yang terbentuk di dalamnya meninggalkan siklus Calvin. Dalam kaitannya dengan 6 molekul karbon dioksida yang terikat, hasilnya adalah 2 molekul triosa fosfat. Reaksi total siklus dengan produk masukan dan keluaran:

6CO 2 + 6H 2 O → 2TP

Dalam hal ini, 6 molekul RiBP berpartisipasi dalam pengikatan dan 12 molekul PGA terbentuk, yang diubah menjadi 12 TF, dimana 10 molekul tetap dalam siklus dan diubah menjadi 6 molekul RiBP. Karena TP adalah gula tiga karbon, dan RiBP adalah gula lima karbon, maka sehubungan dengan atom karbon kita mempunyai: 10 * 3 = 6 * 5. Jumlah atom karbon yang menyediakan siklus tidak berubah, semua yang diperlukan RiBP dibuat ulang. Dan enam molekul karbon dioksida yang memasuki siklus dihabiskan untuk pembentukan dua molekul triosa fosfat yang meninggalkan siklus.

Siklus Calvin, untuk 6 molekul CO2 yang terikat, membutuhkan 18 molekul ATP dan 12 molekul NADP H2, yang disintesis dalam reaksi fase terang fotosintesis.

Perhitungannya didasarkan pada dua molekul triosa fosfat yang meninggalkan siklus, karena molekul glukosa yang kemudian terbentuk mencakup 6 atom karbon.

Triose fosfat (TP) adalah produk akhir dari siklus Calvin, tetapi hampir tidak dapat disebut sebagai produk akhir fotosintesis, karena hampir tidak terakumulasi, tetapi bereaksi dengan zat lain, diubah menjadi glukosa, sukrosa, pati, lemak. , asam lemak, dan asam amino. Selain TF, FGK juga memegang peranan penting. Namun, reaksi tersebut tidak hanya terjadi pada organisme fotosintetik. Dalam pengertian ini, fase gelap fotosintesis sama dengan siklus Calvin.

Gula enam karbon dibentuk dari FHA melalui katalisis enzimatik bertahap fruktosa 6-fosfat, yang berubah menjadi glukosa. Pada tumbuhan, glukosa dapat berpolimerisasi menjadi pati dan selulosa. Sintesis karbohidrat mirip dengan proses kebalikan dari glikolisis.

Fotorespirasi

Oksigen menghambat fotosintesis. Semakin banyak O2 di lingkungan, semakin kurang efisien proses penyerapan CO2. Faktanya adalah enzim ribulosa bifosfat karboksilase (rubisco) dapat bereaksi tidak hanya dengan karbon dioksida, tetapi juga dengan oksigen. Dalam hal ini, reaksi gelapnya agak berbeda.

Fosfoglikolat adalah asam fosfoglikolat. Gugus fosfat segera dipisahkan, dan berubah menjadi asam glikolat (glikolat). Untuk “mendaur ulangnya”, oksigen dibutuhkan kembali. Oleh karena itu, semakin banyak oksigen di atmosfer, maka akan semakin merangsang fotorespirasi dan semakin banyak pula oksigen yang dibutuhkan tanaman untuk membuang produk reaksi.

Fotorespirasi adalah konsumsi oksigen yang bergantung pada cahaya dan pelepasan karbon dioksida. Artinya, pertukaran gas terjadi seperti pada respirasi, tetapi terjadi di kloroplas dan bergantung pada radiasi cahaya. Fotorespirasi bergantung pada cahaya hanya karena ribulosa bifosfat hanya terbentuk selama fotosintesis.

Selama fotorespirasi, atom karbon dari glikolat dikembalikan ke siklus Calvin dalam bentuk asam fosfogliserat (fosfogliserat).

2 Glikolat (C 2) → 2 Glioksilat (C 2) → 2 Glisin (C 2) - CO 2 → Serin (C 3) → Hidroksipiruvat (C 3) → Gliserat (C 3) → FHA (C 3)

Seperti yang Anda lihat, pengembaliannya tidak lengkap, karena satu atom karbon hilang ketika dua molekul glisin diubah menjadi satu molekul asam amino serin, dan karbon dioksida dilepaskan.

Oksigen diperlukan selama konversi glikolat menjadi glioksilat dan glisin menjadi serin.

Transformasi glikolat menjadi glioksilat dan kemudian menjadi glisin terjadi di peroksisom, dan sintesis serin terjadi di mitokondria. Serin kembali memasuki peroksisom, di mana ia pertama kali diubah menjadi hidroksipiruvat dan kemudian gliserat. Gliserat sudah memasuki kloroplas, tempat PGA disintesis darinya.

Fotorespirasi terutama merupakan ciri tumbuhan dengan jenis fotosintesis C3. Ini dapat dianggap berbahaya karena energi terbuang untuk mengubah glikolat menjadi PGA. Rupanya fotorespirasi muncul karena tanaman purba belum siap jumlah yang besar oksigen di atmosfer. Awalnya, evolusi mereka terjadi di atmosfer yang kaya akan karbon dioksida, dan inilah yang terutama menangkap pusat reaksi enzim rubisco.

Fotosintesis C 4, atau siklus Hatch-Slack

Jika selama fotosintesis C 3 produk pertama fase gelap adalah asam fosfogliserat, yang mengandung tiga atom karbon, maka selama jalur C 4 produk pertama adalah asam yang mengandung empat atom karbon: malat, oksaloasetat, aspartat.

Fotosintesis C 4 diamati di banyak tanaman tropis, misalnya tebu dan jagung.

Tanaman C4 menyerap karbon monoksida lebih efisien dan hampir tidak mengalami fotorespirasi.

Tumbuhan yang fase gelap fotosintesisnya berlangsung sepanjang jalur C4 memiliki struktur daun khusus. Di dalamnya, ikatan pembuluh darah dikelilingi oleh dua lapis sel. Lapisan dalam adalah lapisan bundel konduktif. Lapisan terluar adalah sel mesofil. Kloroplas lapisan sel berbeda satu sama lain.

Kloroplas mesofilik dicirikan oleh grana yang besar, aktivitas fotosistem yang tinggi, dan tidak adanya enzim RiBP-karboksilase (rubisco) dan pati. Artinya, kloroplas sel-sel ini diadaptasi terutama untuk fase cahaya fotosintesis.

Dalam kloroplas sel berkas pembuluh, grana hampir tidak berkembang, tetapi konsentrasi RiBP karboksilase tinggi. Kloroplas ini diadaptasi untuk fase gelap fotosintesis.

Karbon dioksida pertama kali memasuki sel mesofil, berikatan dengan asam organik, dalam bentuk ini diangkut ke sel selubung, dilepaskan dan selanjutnya diikat dengan cara yang sama seperti pada tumbuhan C3. Artinya, jalur C 4 melengkapi, bukan menggantikan C 3.

Di mesofil, CO2 bergabung dengan fosfoenolpiruvat (PEP) membentuk oksaloasetat (asam) yang mengandung empat atom karbon:

Reaksi terjadi dengan partisipasi enzim PEP karboksilase, yang memiliki afinitas lebih tinggi terhadap CO 2 daripada rubisco. Selain itu, PEP karboksilase tidak berinteraksi dengan oksigen, sehingga tidak digunakan untuk fotorespirasi. Jadi, keuntungan fotosintesis C 4 terletak pada fiksasi karbon dioksida yang lebih efisien, peningkatan konsentrasinya dalam sel selubung dan, oleh karena itu, lebih banyak pekerjaan yang efisien RiBP-karboksilase, yang hampir tidak dihabiskan untuk fotorespirasi.

Oksaloasetat diubah menjadi 4-karbon asam dikarboksilat(malat atau aspartat), yang diangkut ke dalam kloroplas sel-sel pelapis ikatan pembuluh darah. Di sini asam didekarboksilasi (penghilangan CO2), dioksidasi (penghilangan hidrogen) dan diubah menjadi piruvat. Hidrogen mengurangi NADP. Piruvat kembali ke mesofil, tempat PEP diregenerasi dengan konsumsi ATP.

CO 2 yang dipisahkan dalam kloroplas sel selubung menuju ke jalur C 3 yang biasa pada fase gelap fotosintesis, yaitu ke siklus Calvin.

Fotosintesis melalui jalur Hatch-Slack membutuhkan lebih banyak energi.

Jalur C4 diyakini muncul lebih lambat dalam evolusi dibandingkan jalur C3 dan sebagian besar merupakan adaptasi terhadap fotorespirasi.

Pertanyaan 1. Berapa banyak glukosa yang disintesis selama fotosintesis untuk setiap 4 miliar penduduk bumi per tahun?
Jika kita memperhitungkan bahwa dalam setahun seluruh vegetasi di planet ini menghasilkan sekitar 130.000 juta ton gula, maka per satu penduduk bumi (dengan asumsi populasi bumi adalah 4 miliar jiwa) terdapat 32,5 juta ton (130.000/4 = 32,5 ) .

Pertanyaan 2. Dari mana asal oksigen yang dilepaskan selama fotosintesis?
Oksigen yang masuk ke atmosfer selama proses fotosintesis terbentuk selama reaksi fotolisis - penguraian air di bawah pengaruh energi sinar matahari (2H 2 O + energi cahaya = 2H 2 + O 2).

Pertanyaan 3. Apa yang dimaksud dengan fase terang fotosintesis; fase gelap?
Fotosintesis adalah proses sintesis zat organik dari zat anorganik di bawah pengaruh energi sinar matahari.
Fotosintesis pada sel tumbuhan terjadi di kloroplas. Rumus keseluruhan:
6CO 2 + 6H 2 O + energi cahaya = C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Fase terang fotosintesis hanya terjadi dalam cahaya: kuantum cahaya melumpuhkan elektron dari molekul klorofil yang terletak di membran tilakoid.; elektron yang tersingkir akan kembali lagi atau berakhir di rantai enzim yang saling mengoksidasi. Rantai enzim mentransfer elektron ke luar membran tilakoid ke transporter elektron. Membran bermuatan negatif dari luar. Molekul klorofil bermuatan positif yang terletak di tengah membran mengoksidasi enzim yang mengandung ion mangan yang terletak di bagian dalam membran. Enzim-enzim ini berpartisipasi dalam reaksi fotolisis air, yang menghasilkan pembentukan H+; Proton hidrogen dilepaskan ke permukaan bagian dalam membran tilakoid, dan muatan positif muncul di permukaan ini. Ketika beda potensial melintasi membran tilakoid mencapai 200 mV, proton mulai mengalir melalui saluran ATP sintetase. ATP disintesis.
Pada fase gelap, glukosa disintesis dari CO 2 dan atom hidrogen terikat pada pembawa menggunakan energi ATP. Sintesis glukosa terjadi di stroma kloroplas menggunakan sistem enzim. Reaksi total tahap gelap:
6CO 2 + 24H = C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Fotosintesis sangat produktif, tetapi kloroplas daun hanya menangkap 1 dari 10.000 kuantum cahaya untuk berpartisipasi dalam proses ini.Namun demikian, ini cukup bagi tanaman hijau untuk mensintesis 1 g glukosa per jam dari luas permukaan daun 1 m2.

Pertanyaan 4. Mengapa tumbuhan tingkat tinggi membutuhkan keberadaan bakteri kemosintetik di dalam tanah?
Tanaman membutuhkan garam mineral yang mengandung unsur-unsur seperti nitrogen, fosfor, dan kalium untuk pertumbuhan dan perkembangan normal. Banyak jenis bakteri yang mampu mensintesis apa yang diperlukan senyawa organik dari anorganik, karena energi reaksi oksidasi kimia yang terjadi di dalam sel, termasuk kemotrof. Zat yang ditangkap oleh bakteri dioksidasi, dan energi yang dihasilkan digunakan untuk sintesis kompleks molekul organik dari CO 2 dan H 2 O. Proses ini disebut kemosintesis.
Kelompok organisme kemosintetik yang paling penting adalah bakteri nitrifikasi. Menyelidiki mereka, S.N. Winogradsky menemukan prosesnya pada tahun 1887 kemosintesis. Bakteri nitrifikasi yang hidup di dalam tanah mengoksidasi amonia, yang terbentuk selama pembusukan residu organik, menjadi asam nitrat:
2MN 3 + ZO 2 = 2HNO 2 + 2H 2 O + 635 kJ.
Kemudian bakteri dari spesies lain dari kelompok ini teroksidasi asam nitrat menjadi nitrogen:
2HNO 2 + O 2 = 2HNO 3 + 151,1 kJ.
Berinteraksi dengan mineral tanah, nitrogen dan asam sendawa membentuk garam, yang merupakan komponen terpenting nutrisi mineral tumbuhan tingkat tinggi. Di bawah pengaruh jenis bakteri lain di dalam tanah, fosfat terbentuk, yang juga digunakan oleh tanaman tingkat tinggi.
Dengan demikian, kemosintesis adalah proses sintesis zat organik dari zat anorganik dengan menggunakan energi reaksi oksidasi kimia yang terjadi di dalam sel.

Sesuai dengan namanya, fotosintesis pada dasarnya adalah sintesis alami zat organik, mengubah CO2 dari atmosfer dan air menjadi glukosa dan oksigen bebas.

Hal ini memerlukan kehadiran energi matahari.

Persamaan kimia Proses fotosintesis secara umum dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Fotosintesis memiliki dua fase: gelap dan terang. Reaksi kimia fotosintesis fase gelap berbeda secara signifikan dengan reaksi fase terang, tetapi fase fotosintesis gelap dan terang bergantung satu sama lain.

Fase terang dapat terjadi pada daun tanaman secara eksklusif di bawah sinar matahari. Untuk kegelapan, keberadaan karbon dioksida diperlukan, itulah sebabnya tanaman harus terus-menerus menyerapnya dari atmosfer. Semua karakteristik komparatif Fase gelap dan terang fotosintesis akan diberikan di bawah ini. Untuk tujuan ini, tabel perbandingan “Fase Fotosintesis” telah dibuat.

Fase terang fotosintesis

Proses utama pada fase cahaya fotosintesis terjadi di membran tilakoid. Ini melibatkan klorofil, protein transpor elektron, ATP sintetase (enzim yang mempercepat reaksi) dan sinar matahari.

Lebih lanjut, mekanisme reaksi dapat digambarkan sebagai berikut: ketika sinar matahari mengenai daun hijau tanaman, elektron klorofil (muatan negatif) tereksitasi dalam strukturnya, yang, setelah masuk ke keadaan aktif, meninggalkan molekul pigmen dan berakhir di di luar tilakoid, yang membrannya juga bermuatan negatif. Pada saat yang sama, molekul klorofil teroksidasi dan molekul yang sudah teroksidasi tereduksi, sehingga mengambil elektron dari air yang ada pada struktur daun.

Proses ini mengarah pada fakta bahwa molekul air terurai, dan ion-ion yang tercipta sebagai hasil fotolisis air melepaskan elektronnya dan berubah menjadi radikal OH yang mampu melakukan reaksi lebih lanjut. Radikal OH reaktif ini kemudian bergabung untuk menciptakan molekul air dan oksigen yang lengkap. Dalam hal ini, oksigen bebas keluar ke lingkungan luar.

Akibat semua reaksi dan transformasi ini, membran tilakoid daun di satu sisi bermuatan positif (akibat ion H+), dan di sisi lain bermuatan negatif (akibat elektron). Ketika perbedaan antara muatan di kedua sisi membran mencapai lebih dari 200 mV, proton melewati saluran khusus enzim ATP sintetase dan karena ini, ADP diubah menjadi ATP (sebagai hasil dari proses fosforilasi). Dan atom hidrogen, yang dilepaskan dari air, mengembalikan pembawa spesifik NADP+ menjadi NADP·H2. Seperti yang dapat kita lihat, sebagai hasil dari fase cahaya fotosintesis, terjadi tiga proses utama:

  1. sintesis ATP;
  2. pembuatan NADP H2;
  3. pembentukan oksigen bebas.

Yang terakhir dilepaskan ke atmosfer, dan NADP H2 dan ATP mengambil bagian dalam fase gelap fotosintesis.

Fase gelap fotosintesis

Fase gelap dan terang fotosintesis ditandai dengan pengeluaran energi yang besar pada tumbuhan, tetapi fase gelap berlangsung lebih cepat dan membutuhkan lebih sedikit energi. Reaksi fase gelap tidak memerlukan sinar matahari, sehingga dapat terjadi siang dan malam.

Semua proses utama fase ini terjadi di stroma kloroplas tanaman dan mewakili rantai unik transformasi karbon dioksida dari atmosfer. Reaksi pertama dalam rantai tersebut adalah fiksasi karbon dioksida. Untuk mewujudkannya lebih lancar dan cepat, alam menyediakan enzim RiBP-karboksilase, yang mengkatalisis fiksasi CO2.

Selanjutnya terjadi seluruh siklus reaksi, yang penyelesaiannya adalah konversi asam fosfogliserat menjadi glukosa (gula alami). Semua reaksi ini menggunakan energi ATP dan NADP H2, yang diciptakan dalam fase cahaya fotosintesis. Selain glukosa, fotosintesis juga menghasilkan zat lain. Diantaranya berbagai asam amino, asam lemak, gliserol, dan nukleotida.

Fase fotosintesis: tabel perbandingan

Kriteria perbandingan Fase cahaya Fase gelap
sinar matahari Diperlukan Tidak dibutuhkan
Tempat reaksi Grana kloroplas Stroma kloroplas
Ketergantungan pada sumber energi Tergantung pada sinar matahari Tergantung pada ATP dan NADP H2 yang terbentuk pada fase cahaya dan jumlah CO2 dari atmosfer
Bahan awal Klorofil, protein transpor elektron, ATP sintetase Karbon dioksida
Hakikat fase dan apa yang terbentuk O2 bebas dilepaskan, ATP dan NADP H2 terbentuk Pembentukan gula alami (glukosa) dan penyerapan CO2 dari atmosfer

Fotosintesis - video

Bagaimana menjelaskan proses kompleks seperti fotosintesis secara singkat dan jelas? Tumbuhan adalah satu-satunya organisme hidup yang dapat menghasilkan makanannya sendiri. Bagaimana mereka melakukannya? Untuk pertumbuhan dan menerima semua zat yang diperlukan dari lingkungan: karbon dioksida - dari udara, air dan - dari tanah. Mereka juga membutuhkan energi yang didapat dari sinar matahari. Energi ini memicu reaksi kimia tertentu di mana karbon dioksida dan air diubah menjadi glukosa (makanan) dan fotosintesis. Inti dari proses tersebut dapat dijelaskan secara singkat dan jelas bahkan kepada anak usia sekolah.

"Bersama Cahaya"

Kata "fotosintesis" berasal dari dua kata Yunani - "foto" dan "sintesis", yang kombinasinya berarti "bersama dengan cahaya". Energi matahari diubah menjadi energi kimia. Persamaan kimia fotosintesis:

6CO 2 + 12H 2 O + cahaya = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Ini berarti bahwa 6 molekul karbon dioksida dan dua belas molekul air digunakan (bersama dengan sinar matahari) untuk menghasilkan glukosa, menghasilkan enam molekul oksigen dan enam molekul air. Jika Anda merepresentasikannya sebagai persamaan verbal, Anda mendapatkan yang berikut:

Air + matahari => glukosa + oksigen + air.

Matahari merupakan sumber energi yang sangat kuat. Masyarakat selalu berusaha memanfaatkannya untuk menghasilkan listrik, menyekat rumah, memanaskan air, dan sebagainya. Tumbuhan “menemukan” cara menggunakan energi matahari jutaan tahun yang lalu karena hal itu penting untuk kelangsungan hidup mereka. Fotosintesis dapat dijelaskan secara singkat dan jelas sebagai berikut: tumbuhan menggunakan energi cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia, yang hasilnya adalah gula (glukosa), yang kelebihannya disimpan sebagai pati di daun, akar, batang. dan benih tanaman. Energi matahari ditransfer ke tumbuhan, serta hewan yang memakan tumbuhan tersebut. Ketika tanaman membutuhkan unsur hara untuk pertumbuhan dan proses kehidupan lainnya, cadangan tersebut sangat berguna.

Bagaimana tumbuhan menyerap energi matahari?

Berbicara tentang fotosintesis secara singkat dan jelas, ada baiknya menjawab pertanyaan tentang bagaimana tumbuhan bisa menyerap energi matahari. Hal ini terjadi karena struktur khusus daun, yang meliputi sel-sel hijau - kloroplas, yang mengandung zat khusus yang disebut klorofil. Inilah yang memberi daun warna hijau dan bertanggung jawab untuk menyerap energi dari sinar matahari.


Mengapa sebagian besar daunnya lebar dan rata?

Fotosintesis terjadi pada daun tumbuhan. Fakta yang menakjubkan adalah tanaman beradaptasi dengan sangat baik dalam menangkap sinar matahari dan menyerap karbon dioksida. Berkat permukaannya yang lebar, lebih banyak cahaya yang ditangkap. Tepatnya karena alasan ini panel surya, yang terkadang dipasang di atap rumah, juga berukuran lebar dan datar. Semakin besar permukaannya, semakin baik daya serapnya.

Apa lagi yang penting bagi tanaman?

Seperti halnya manusia, tanaman juga membutuhkan unsur hara yang bermanfaat agar tetap sehat, tumbuh, dan menjalankan fungsi vitalnya dengan baik. Mereka memperoleh mineral yang terlarut dalam air dari tanah melalui akarnya. Jika tanah kekurangan unsur hara mineral, tanaman tidak akan berkembang secara normal. Petani sering kali menguji tanah untuk memastikan tanah tersebut memiliki cukup nutrisi bagi tanaman untuk tumbuh. Jika tidak, gunakanlah pupuk yang mengandung mineral penting untuk nutrisi dan pertumbuhan tanaman.

Mengapa fotosintesis begitu penting?

Untuk menjelaskan fotosintesis secara singkat dan jelas kepada anak-anak, perlu disebutkan bahwa proses ini adalah salah satu reaksi kimia terpenting di dunia. Apa alasan untuk pernyataan keras seperti itu? Pertama, fotosintesis memberi makan tanaman, yang pada gilirannya memberi makan semua makhluk hidup di planet ini, termasuk hewan dan manusia. Kedua, sebagai hasil fotosintesis, oksigen yang diperlukan untuk respirasi dilepaskan ke atmosfer. Semua makhluk hidup menghirup oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Untungnya, tumbuhan melakukan hal sebaliknya, sehingga sangat penting bagi manusia dan hewan karena memberi mereka kemampuan untuk bernapas.

Proses yang luar biasa

Tumbuhan ternyata juga bisa bernapas, tetapi, tidak seperti manusia dan hewan, mereka menyerap karbon dioksida dari udara, bukan oksigen. Tumbuhan juga minum. Itu sebabnya Anda perlu menyiraminya, kalau tidak mereka akan mati. Menggunakan sistem root, air dan nutrisi diangkut ke seluruh bagian tubuh tumbuhan, dan karbon dioksida diserap melalui lubang kecil di daun. Pemicu untuk memulai reaksi kimia adalah sinar matahari. Semua produk metabolisme yang diperoleh digunakan tanaman untuk nutrisi, oksigen dilepaskan ke atmosfer. Demikianlah penjelasan singkat dan jelas bagaimana proses fotosintesis terjadi.

Fotosintesis: fase fotosintesis terang dan gelap

Proses yang dipertimbangkan terdiri dari dua bagian utama. Ada dua fase fotosintesis (deskripsi dan tabel di bawah). Yang pertama disebut fase cahaya. Ini hanya terjadi dengan adanya cahaya di membran tilakoid dengan partisipasi klorofil, protein transpor elektron dan enzim ATP sintetase. Apa lagi yang disembunyikan fotosintesis? Menyalakan dan menggantikan satu sama lain seiring berjalannya siang dan malam (siklus Calvin). Selama fase gelap, produksi glukosa yang sama, makanan bagi tanaman, terjadi. Proses ini juga disebut reaksi tidak tergantung cahaya.

Fase cahaya Fase gelap

1. Reaksi yang terjadi di kloroplas hanya mungkin terjadi dengan adanya cahaya. Dalam reaksi ini, energi cahaya diubah menjadi energi kimia

2. Klorofil dan pigmen lainnya menyerap energi dari sinar matahari. Energi ini ditransfer ke fotosistem yang bertanggung jawab untuk fotosintesis

3. Air digunakan untuk elektron dan ion hidrogen, dan juga terlibat dalam produksi oksigen

4. Elektron dan ion hidrogen digunakan untuk membuat ATP (molekul penyimpan energi), yang dibutuhkan pada fase fotosintesis berikutnya

1. Reaksi siklus ekstra cahaya terjadi di stroma kloroplas

2. Karbon dioksida dan energi dari ATP digunakan dalam bentuk glukosa

Kesimpulan

Dari uraian di atas, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

  • Fotosintesis adalah proses yang menghasilkan energi dari matahari.
  • Energi cahaya matahari diubah menjadi energi kimia oleh klorofil.
  • Klorofil memberi warna hijau pada tumbuhan.
  • Fotosintesis terjadi di kloroplas sel daun tumbuhan.
  • Karbon dioksida dan air diperlukan untuk fotosintesis.
  • Karbon dioksida memasuki tanaman melalui lubang kecil, stomata, dan oksigen keluar melalui lubang tersebut.
  • Air diserap ke dalam tanaman melalui akarnya.
  • Tanpa fotosintesis tidak akan ada makanan di dunia.