Aktivitas Enzim dalam Fotosintesis

Fotosintesis dapat dipertahankan sebagai reaksi yang paling penting dalam semua biologi. Periksa jaring makanan atau sistem aliran energi di dunia, dan Anda akan menemukan bahwa itu pada akhirnya bergantung pada energi dari matahari untuk zat yang menopang organisme di dalamnya. Hewan bergantung pada nutrisi berbasis karbon (karbohidrat) dan oksigen yang dihasilkan fotosintesis, karena bahkan hewan yang mendapatkan semua makanan mereka dengan memangsa hewan lain akhirnya memakan organisme yang sebagian besar atau eksklusif hidup sendiri tanaman.

Dari fotosintesis demikian mengalir semua proses pertukaran energi lainnya yang diamati di alam. Seperti glikolisis dan reaksi respirasi sel, fotosintesis memiliki sekumpulan langkah, enzim, dan aspek unik untuk dipertimbangkan, dan dipahami peran yang dimainkan oleh katalis spesifik fotosintesis dalam jumlah konversi cahaya dan gas menjadi makanan sangat penting untuk menguasai dasar biokimia.

Fotosintesis ada hubungannya dengan produksi hal terakhir yang Anda makan, apa pun itu. Jika itu berbasis tanaman, klaimnya mudah. Jika itu hamburger, dagingnya hampir pasti berasal dari hewan yang hampir seluruhnya hidup dari tumbuh-tumbuhan. Dilihat secara agak berbeda, jika matahari menutup dirinya hari ini tanpa menyebabkan dunia menjadi dingin, yang akan menyebabkan tanaman menjadi langka, persediaan makanan dunia akan segera lenyap; tanaman, yang jelas bukan predator, berada di bagian paling bawah dari setiap rantai makanan.

Fotosintesis secara tradisional dibagi menjadi reaksi terang dan reaksi gelap. Kedua reaksi dalam fotosintesis memainkan peran penting; yang pertama bergantung pada keberadaan sinar matahari atau energi cahaya lainnya, sedangkan yang kedua tidak bergantung pada produk reaksi terang untuk memiliki substrat untuk dikerjakan. Dalam reaksi terang, molekul energi yang dibutuhkan tanaman untuk merakit karbohidrat dibuat, sedangkan sintesis karbohidrat itu sendiri terjadi pada reaksi gelap. Ini mirip dalam beberapa hal dengan respirasi aerobik, di mana siklus Krebs, meskipun bukan sumber langsung utama ATP (adenosin trifosfat, "mata uang energi" dari semua sel), menghasilkan banyak molekul perantara yang mendorong penciptaan banyak ATP dalam rantai transpor elektron berikutnya. reaksi.

Unsur penting pada tumbuhan yang memungkinkan mereka melakukan fotosintesis adalah klorofil, zat yang ditemukan dalam struktur unik yang disebut kloroplas.

Reaksi bersih fotosintesis sebenarnya sangat sederhana. Ini menyatakan bahwa karbon dioksida dan air, dengan adanya energi cahaya, diubah menjadi glukosa dan oksigen selama proses.

6 CO₂ + cahaya + 6 H₂O → C₆H₁₂HAI₆ + 6 O₂

Reaksi keseluruhan adalah jumlah dari reaksi terang dan reaksi gelap fotosintesis:

Reaksi terang:12 H₂O + cahaya → O₂ + 24 J⁺ + 24e⁻

Reaksi gelap:6CO₂ + 24 J⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂HAI₆ + 6 H₂HAI

Singkatnya, reaksi terang menggunakan sinar matahari untuk menakut-nakuti elektron yang kemudian disalurkan tanaman untuk membuat makanan (glukosa). Bagaimana ini terjadi dalam praktik telah dipelajari dengan baik dan merupakan bukti miliaran tahun evolusi biologis.

Kesalahpahaman umum di antara orang-orang yang mempelajari ilmu kehidupan adalah bahwa fotosintesis hanyalah respirasi seluler secara terbalik. Hal ini dapat dimengerti, mengingat bahwa reaksi bersih fotosintesis terlihat seperti respirasi seluler – dimulai dengan glikolisis dan diakhiri dengan proses aerobik (siklus Krebs dan rantai transpor elektron) di mitokondria – berjalan tepat di balik.

Namun, reaksi yang mengubah karbon dioksida menjadi glukosa dalam fotosintesis jauh berbeda dari reaksi yang digunakan untuk mereduksi glukosa kembali menjadi karbon dioksida dalam respirasi seluler. Tumbuhan, perlu diingat, juga memanfaatkan respirasi seluler. Kloroplas bukanlah "mitokondria tanaman"; tumbuhan juga memiliki mitokondria.

Pikirkan fotosintesis sebagai sesuatu yang terjadi terutama karena tanaman tidak memiliki mulut, namun masih mengandalkan pembakaran glukosa sebagai nutrisi untuk membuat bahan bakar mereka sendiri. Jika tanaman tidak dapat menelan glukosa namun masih membutuhkan pasokan glukosa yang stabil, maka mereka harus melakukan hal yang tampaknya mustahil dan membuatnya sendiri. Bagaimana cara tumbuhan membuat makanan? Mereka menggunakan cahaya eksternal untuk menggerakkan pembangkit listrik kecil di dalamnya untuk melakukannya. Bahwa mereka dapat melakukannya sangat bergantung pada bagaimana mereka sebenarnya terstruktur.

Struktur yang memiliki banyak luas permukaan dalam kaitannya dengan massanya diposisikan dengan baik untuk menangkap banyak sinar matahari yang melewati jalan mereka. Inilah sebabnya mengapa tanaman memiliki daun. Fakta bahwa daun cenderung menjadi bagian tanaman yang paling hijau adalah hasil dari kepadatan klorofil dalam daun, karena di sinilah pekerjaan fotosintesis dilakukan.

Daun telah mengembangkan pori-pori di permukaannya yang disebut stomata (tunggal: stoma). Lubang-lubang ini adalah sarana dimana daun dapat mengontrol masuk dan keluarnya CO₂, yang dibutuhkan untuk fotosintesis, dan O₂, yang merupakan produk limbah dari proses. (Ini berlawanan dengan intuisi untuk menganggap oksigen sebagai limbah, tetapi dalam pengaturan ini, secara tegas, itulah adanya.)

Stomata ini juga membantu daun mengatur kadar airnya. Ketika air berlimpah, daun lebih kaku dan "mengembang" dan stomata cenderung tetap tertutup. Sebaliknya, ketika air langka, stomata terbuka sebagai upaya untuk membantu daun memberi makan dirinya sendiri.

Sel tumbuhan adalah sel eukariotik, artinya mereka memiliki empat struktur umum untuk semua sel (DNA, membran sel, sitoplasma, dan ribosom) dan sejumlah organel khusus. Sel tumbuhan, bagaimanapun, tidak seperti sel hewan dan sel eukariotik lainnya, memiliki dinding sel, seperti bakteri tetapi dibangun menggunakan bahan kimia yang berbeda.

Sel tumbuhan juga memiliki inti, dan organelnya meliputi mitokondria, retikulum endoplasma, badan Golgi, sitoskeleton, dan vakuola. Tetapi perbedaan penting antara sel tumbuhan dan sel eukariotik lainnya adalah bahwa sel tumbuhan mengandung: kloroplas.

Di dalam sel tumbuhan terdapat organel yang disebut kloroplas. Seperti mitokondria, ini diyakini telah dimasukkan ke dalam organisme eukariotik relatif awal dalam evolusi eukariota, dengan entitas ditakdirkan untuk menjadi kloroplas kemudian ada sebagai berdiri bebas melakukan fotosintesis prokariota.

Kloroplas, seperti semua organel, dikelilingi oleh membran plasma ganda. Di dalam membran ini terdapat stroma, yang berfungsi seperti sitoplasma kloroplas. Di dalam kloroplas juga terdapat badan yang disebut tilakoid, yang tersusun seperti tumpukan koin dan tertutup oleh membrannya sendiri.

Klorofil dianggap sebagai "pigmen" fotosintesis, tetapi ada beberapa jenis klorofil yang berbeda, dan pigmen selain klorofil juga berpartisipasi dalam fotosintesis. Pigmen utama yang digunakan dalam fotosintesis adalah klorofil A. Beberapa pigmen non-klorofil yang berperan dalam proses fotosintesis berwarna merah, coklat atau biru.

Reaksi terang fotosintesis menggunakan energi cahaya untuk menggantikan atom hidrogen dari molekul air, dengan atom hidrogen ini, didukung oleh: aliran elektron akhirnya dibebaskan oleh cahaya yang masuk, digunakan untuk mensintesis NADPH dan ATP, yang diperlukan untuk kegelapan berikutnya reaksi.

Reaksi terang terjadi pada membran tilakoid, di dalam kloroplas, di dalam sel tumbuhan. Mereka mulai berjalan ketika cahaya menyerang kompleks protein-klorofil yang disebut fotosistem II (PSII). Enzim inilah yang membebaskan atom hidrogen dari molekul air. Oksigen dalam air kemudian bebas, dan elektron yang dibebaskan dalam proses tersebut melekat pada molekul yang disebut plastoquinol, mengubahnya menjadi plastoquinone. Molekul ini pada gilirannya mentransfer elektron ke kompleks enzim yang disebut sitokrom b6f. Ctyb6f ini mengambil elektron dari plastoquinone dan memindahkannya ke plastocyanin.

Pada saat ini, fotosistem I (PSI) mendapat pekerjaan. Enzim ini mengambil elektron dari plastocyanin dan menempelkannya ke senyawa yang mengandung besi yang disebut ferredoxin. Akhirnya, enzim yang disebut ferredoxin-NADP⁺reduktase (FNR) untuk membuat NADPH dari NADP⁺. Anda tidak perlu mengingat semua senyawa ini, tetapi penting untuk memahami sifat cascading, "penyerahan" dari reaksi yang terlibat.

Juga, ketika PSII membebaskan hidrogen dari air untuk menggerakkan reaksi di atas, sebagian hidrogen cenderung ingin meninggalkan tilakoid menuju stroma, menuruni gradien konsentrasinya. Membran tilakoid memanfaatkan aliran keluar alami ini dengan menggunakannya untuk menggerakkan pompa ATP sintase di membran, yang menempelkan molekul fosfat ke ADP (adenosin difosfat) untuk membuat ATP.

Reaksi gelap fotosintesis dinamakan demikian karena tidak bergantung pada cahaya. Namun, mereka dapat terjadi ketika cahaya hadir, jadi lebih akurat, jika lebih rumit, nama adalah "reaksi bebas cahaya." Untuk memperjelas masalah lebih lanjut, reaksi gelap bersama-sama juga dikenal sebagai known siklus Calvin.

Bayangkan, ketika menghirup udara ke paru-paru Anda, karbon dioksida di udara itu bisa masuk ke dalam sel, yang kemudian akan menggunakannya untuk membuat zat yang sama yang dihasilkan dari tubuh Anda yang memecah makanan Anda makan. Bahkan, karena ini, Anda tidak akan pernah makan sama sekali. Ini pada dasarnya adalah kehidupan tanaman, yang menggunakan CO₂ ia berkumpul dari lingkungan (yang sebagian besar ada sebagai hasil dari proses metabolisme eukariota lain) untuk membuat glukosa, yang kemudian disimpan atau dibakar untuk kebutuhannya sendiri.

Anda telah melihat bahwa fotosintesis dimulai dengan melepaskan atom hidrogen dari air dan menggunakan energi dari atom tersebut untuk membuat beberapa NADPH dan beberapa ATP. Namun sejauh ini, belum ada penyebutan input lain ke dalam fotosintesis, yaitu CO2. Sekarang Anda akan melihat mengapa semua NADPH dan ATP dikumpulkan di tempat pertama.

Pada langkah pertama reaksi gelap, CO2 terikat pada turunan gula berkarbon lima yang disebut ribulosa 1,5-bifosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim ribulosa-1,5-bifosfat karboksilase/oksigenase, yang lebih dikenal sebagai Rubisko. Enzim ini diyakini sebagai protein paling melimpah di dunia, mengingat ia ada di semua tanaman yang menjalani fotosintesis.

Zat antara enam karbon ini tidak stabil dan terpecah menjadi sepasang molekul tiga karbon yang disebut fosfogliserat. Ini kemudian difosforilasi oleh enzim kinase untuk membentuk 1,3-bisfosfogliserat. Molekul ini kemudian diubah menjadi gliseraldehida-3-fosfat (G3P), membebaskan molekul fosfat dan mengonsumsi NAPDH yang berasal dari reaksi terang.

G3P yang dibuat dalam reaksi ini kemudian dapat dimasukkan ke dalam sejumlah jalur yang berbeda, menghasilkan dalam pembentukan glukosa, asam amino atau lipid, tergantung pada kebutuhan spesifik tanaman sel. Tumbuhan juga mensintesis polimer glukosa yang dalam makanan manusia menyumbangkan pati dan serat.