Reaksi Terang, Siklus Calvin dan Fotosintesis

By On Tuesday, February 21st, 2017 Categories : Sains

Sebagaimana organisme merasakan tekanan seleksi alam dan berusaha untuk menjajah wilayah-wilayah baru, kebutuhan untuk kemajuan dalam struktur dan fungsi yang diperlukan.

Mereka berkembang dengan memodifikasi struktur  (evolusi) atau diciptakan dengan struktur yang sesuai (penciptaan) agar sesuai dengan lingkungan.

Kemajuan dalam struktur dan fungsi menciptakan sistem pendukung kehidupan yang kompleks lebih fleksibel dan memungkinkan keleluasaan organisme untuk kolonisasi di wilayah pinggiran. Fotosintesis, respirasi, dan sintesis protein adalah contoh khas dari fenomena kimia kompleks yang terjadi di sekitar dan di dalam diri kita terus-menerus.

Lokasi, Struktur, Fungsi

Kebanyakan orang berpikir bahwa fotosintesis merupakan proses di mana enam molekul karbon dioksida bereaksi dengan enam molekul air dengan menggunakan kekuatan cahaya untuk menciptakan satu molekul glukosa dan enam molekul oksigen. Meskipun persamaan yang disederhanakan ini pada dasarnya benar, itu tidak menyoroti berbagai reaksi yang membuat peristiwa fotosintesis pada sel tanaman menjadi menarik.

Hal ini diyakini bahwa 3-3500000000 tahun yang lalu, fotosintesis mengubah lingkungan awal Bumi dari awalnya yang kekurangan oksigen ke lingkungan yang kaya oksigen yang, pada gilirannya, sangat mengubah jenis kehidupan awal yang bisa tinggal di sana dan memaksa kepunahan banyak spesies yang ada.

Semua organisme saat ini tinggal di bumi pada dasarnya karena bertenaga surya, kecuali untuk beberapa makhluk yang unik, semua kehidupan menerima energi dari makanan yang dibuat oleh fotosintesis.

Fotosintesis

Mekanisme fotosintesis dimulai dengan pemahaman tentang lokasi dan struktur daerah aktif dalam tanaman. Seperti dijelaskan sebelumnya, kloroplas adalah organel di mana fotosintesis berlangsung. Dalam kloroplas, stroma adalah lokasi di mana karbon dioksida diubah menjadi gula dan mana membran khusus yang disebut tilakoid berada. Dalam tilakoid, molekul klorofil sebenarnya menjebak dan memproses energi cahaya dengan bantuan dua fotosistem dijelaskan pada bagian berikut (“Reaksi Terang”). Karbon dioksida masuk dan keluar oksigen tanaman dari bukaan disesuaikan pada bagian bawah daun yang disebut stomata. Air ditarik ke tanaman dengan sifat kohesif dari akarnya pada tanaman darat dan penyerapan langsung dari lingkungan di tanaman air. Tanaman juga tumbuh untuk memaksimalkan eksposur mereka terhadap cahaya. Merujuk pada ilustrasi Kloroplas.

Fotosintesis
Fotosintesis

Fotosintesis adalah jenis reaksi oksidasi-reduksi (redoks).

Reaksi terang

Fotosintesis dibagi menjadi dua tahap. Tahap pertama, yang disebut reaksi terang, di mana energi cahaya ditangkap oleh molekul klorofil dan diproses untuk membuat senyawa energi tinggi yang digunakan nanti dalam reaksi gelap (tercakup dalam bagian yang berikut). Tahap kedua, yang dikenal sebagai siklus Calvin yang dinamai dari penemunya, juga dikenal sebagai reaksi gelap, karena menggunakan energi yang diciptakan dalam reaksi cahaya untuk ikatan rantai karbon bersama-sama untuk membentuk gula, karbohidrat lainnya, protein, lipid, dan asam nukleat .

Reaksi terang terjadi dalam empat proses yang berbeda yang terus berjalan jika kondisi memungkinkan:

  • Energi cahaya diserap oleh molekul klorofil dan ditransfer untuk membuat elektron energi tinggi.
  • Elektron energi tinggi memasuki rantai transpor elektron di mana energi mereka ditransfer ke akseptor elektron.
  • Air teroksidasi untuk menghasilkan ion hidrogen dan gas limbah, oksigen.
  • Senyawa energi tinggi, ATP dan NADH, terbentuk.

Mekanisme untuk empat proses melibatkan interaksi antara struktur dan fungsi. Dalam membran tilakoid adalah kelompok molekul berpigmen (disebut fotosistem), selain klorofil, yang bekerja sama untuk menangkap dan memproses energi cahaya. Ada dua fotosistem yang mengandung 200 hingga 400 molekul klorofil dan pigmen pendukung lainnya yang secara kolektif mentransfer energi cahaya untuk menciptakan elektron energi tinggi (s). Anehnya, mereka disebut fotosistem 1 dan fotosistem 2, meskipun fotosistem 2 biasanya diawal reaksi.

Ketika sebuah foton cahaya mengenai fotosistem, molekul berpigmen menyerap energi dan transfer ke salah satu dari dua molekul klorofil pusat: P700, yang mengaktifkan fotosistem 1, atau P680, yang mengaktifkan fotosistem 2. P700 dan P680 referensi dua jenis molekul klorofil. P singkatan dari “pigmen” dan angka mengacu pada panjang gelombang cahaya yang mengaktifkan mereka.

Dalam model saat ini, fotosistem 2 menciptakan ATP dan NADH, keduanya senyawa energi tinggi. Setiap kali sebuah foton cahaya yang terperangkap oleh molekul P680, mereka mentransfer energi ke salah satu elektron. Ini energi atau “menggairahkan” elektron ke tingkat energi luar gaya tarik inti, dan ia meninggalkan molekul P680 untuk segera diterima oleh molekul elektron akseptor, yang saluran masuknya ke rantai transpor elektron. Ini molekul P680 klorofil teroksidasi dan molekul elektron akseptor tereduksi.

Rantai transpor elektron, yang terletak pada membran tilakoid, adalah serangkaian molekul yang secara sistematis menghilangkan energi dari elektron ketika bergerak dari molekul ke molekul. Energi yang dikurangi dari elektron digunakan untuk memindahkan proton (ion hidrogen, H +) dalam tilakoid tersebut. Proton tambahan (yang diciptakan ketika air dioksidasi) dalam membran tilakoid membentuk gradien energi potensial, seperti air ketika disita di belakang bendungan. Karena ion hidrogen mendorong dan kembali melalui jalur protein gerbang di membran, ini gerbang protein khusus menggunakan energi kinetik untuk mengkatalisis reaksi fosforilasi yang menambahkan gugus fosfat berenergi tinggi pada molekul ADP, menciptakan ATP.

Sementara itu, energi cahaya juga diserap oleh klorofil P700 molekul dalam fotosistem 1, yang juga transfer energi untuk elektron, yang menggairahkan mereka untuk memasuki rantai transpor elektron yang berbeda. Ini molekul P700 yang teroksidasi kemudian langsung menarik elektron longgar dan kaya energi yang dibuat dalam fotosistem 2 rantai transpor elektron untuk mengisi awan elektronnya. Ini elektron penuh energi dari fotosistem 1 menggabungkan untuk mengurangi NADP+ ke NADH senyawa kaya energi. Mengacu pada Model ilustrasi fotosistem.

Singkatnya, dalam reaksi terang, ada aliran kontinu elektron dari air ke fotosistem 2, yang menciptakan ATP kaya energi dan menyediakan energi habis elektron untuk fotosistem 1, yang kemudian menggantikan elektron bersemangat yang masuk rantai transpor elektron yang berbeda untuk membuat NADH. Reaksi terang memanfaatkan energi cahaya dan transfer ke energi kimia dari molekul.

Siklus Calvin atau Reaksi Gelap 

Siklus Calvin disebut reaksi gelap karena tidak perlu cahaya untuk membuat biomolekul dari energi dibuat dalam reaksi terang. Siklus Calvin dijelaskan dalam tiga langkah:

  1. Pembentukan PGA, sebuah molekul tiga karbon
  2. Konversi PGA ke PGAL
  3. Pemulihan bahan awal dan pembentukan senyawa organik

Pada Langkah 1, ikatan karbon dioksida dengan RUDP lima karbon (difosfat ribulosa) molekul untuk membuat sebuah molekul enam karbon sementara yang segera terbagi menjadi dua, molekul tiga-C disebut PGA.

Pada Langkah 2, PGA menerima gugus fosfat berenergi tinggi dari ATP (de-energizing ATP menjadi ADP, yang kemudian dapat digunakan kembali dalam reaksi terang). Selanjutnya, NADH menambahkan proton (ion hidrogen) dan melepaskan gugus fosfat, sehingga menciptakan PGAL dan sekarang molekul miskin energi NADP.

Pada Langkah 3, sebagian besar PGAL yang baru dibuat diubah menjadi RUDP, yang kemudian bisa kembali masuk dan restart siklus Calvin. Namun, satu dari setiap enam molekul PGAL diubah menjadi senyawa organik yang dibutuhkan di tempat lain oleh sel.

Secara statistik, enam revolusi dari siklus Calvin yang dibutuhkan seiring dengan penambahan enam molekul karbon dioksida untuk membuat gula enam-karbon seperti glukosa. Jadi, secara teknis, persamaan sederhana untuk fotosintesis benar, meskipun, tidak jelas. Sebuah representasi yang lebih baik adalah sebagai berikut:

Reaksi terang: Air + ADP + NADP + Phosphate + Energi cahaya ? ATP + NADH + Oksigen

Siklus Calvin: ATP + NADPH + RuDP + Karbon dioksida ? PGAL + NADP+