TEORI FOTOSINTESIS

1. TEORI FOTOSINTESIS Tanaman tebu Saccharum officinarum sangat efisien menghasilkan sukrose yang berlebihan jumlahnya. Proses ini menangkap energi radiasi matahari dan mengubahnya menjadi senyawa organik, glukose. Proses ini disebut FOTOSINTESIS.

2. FOTOSINTESIS TEBU TANAMAN C4

3. PENAMPANG DAUN TEBU TANAMAN C4

4. PHOTO-IONIZATION Kompleks protein-klorofil yang telah ter-eksitasi bereaksi dnengan air dan memecah molekul air menjadi ion hidrogen dan ion (OH-).  Fenomena ini disebut foto-ionisasi. Chlorophyll-protein complex (Excited) + H2O           ------- Chlorophyll – Protein complex + H* _ OH – (Ground state)

5. BIOSINTESIS KARBOHIDRAT Aseptor CO2 dalam tanaman C4 adalah phosphoenolpyruvate (PEP). PEP bereaksi dengan CO2 membentuk asam oksalo-asetat yang kemudian direduksi oleh NADPH menjadi asam-malat. Asam malat ini kemudian bereaksi dengan RUBP menjadi asam piruvat.

6. BIOSINTESIS GLUKOSE

7. TEORI KHLOROFIL Kalau molekul klorofil dalam membran thylakoid di-eksitasi oleh cahaya matahari, level energi dari elektron di dalam strukturnya diperkuat dengan sejumlah yg setara dengan energi cahaya yang diserap dan klorofil menjadi ter-eksitasi. Paket energi eksitasi (The Exciton) bermigrasi dengan cepat melalui molekul pigmen pemanen cahaya ke pusat reaksi fotosistem dimana ia menyebabkan elektron mendapatkan sejumlah besar energi.

8. KHLOROFIL : PHOTOSYSTEM Cahaya, dalam bentuk photons, meng-eksitasi molekul klorofil hingga mencapai pusat reaksi dari Photosystem II. Hal ini memungkinkan elektron dari satu molekul klorofil meloncat ke tingkat energi yang lebih tinggi di dalam molekul klorofil yang sama.

9. MOLEKUL KLOROFIL INTI Mg Klorofil disintesis dalam kloroplas dari 8 molekul 5-amino-levulinic acid.  Delapan garis merah menyatakan lokasi bagian-bagian dari 5-aminolevulinic acid dalam molekul akhir.  Posisi 3 adalah gugusan methyl dalam klorofil a (illustrated) merupakan suatu gugusan formyl (CHO) dalam klorofil b. 

10. Molekul khlorofil

11. BIOSINTESIS KHLOROFIL Dalam tubuh tanaman 5-aminolevulinic acid disintesis dari asam glutamat diabstraksikan oleh von Wettstien et al. (1995):

12. BIOSINTESIS KHLOROFIL Ikhtisar jalur biosintesis klorofil. Zone yang diarsir gelap menyatakan jalur yang dikendalikan oleh ChlM. Reaksi methyl-transferase dikatalisis oleh ChlM. ALA = d-aminolaevulinic acid; proto, protoporphyrin IX; GGPP = geranyl-geranoyl pyrophosphate; ChlM = magnesium protoporphyrin IX methyltransferase; SAM = S-adenosyl-l-methionine; SAH = S-adenosyl-l-homocysteine.

13. Jalur biosintesis klorofil dan heme.

14. BIOSINTESIS SUKROSE

15. BIOSINTESIS SUKROSE Lokasi keterlibatan Na dalam fotosintesis C4 : stomatal conductance (A), carbonic anhydrase (B), aktivitas PEP carboxylase (C) semuanya tidak terpengaruhi oleh nutrisi Na. Daun-daun tanaman yang defisien Na mempunyai kandungan yang tinggi alanine dan pyruvate, dan kandungan PEP yang rendah dalam khloroplas mesofil (abstraksi P.F. Brownell)

16. JALUR SINTESIS PATI DALAM KLOROPLAST karbon yang DIASIMILASI melalui siklus Calvin dibagi-bagi, sebagian diekspor ke cytosol untuk sintesis sucrose dan sebagian ditahan dalam kloroplas untuk sintesis pati. Aktivasi redoks dan regulasi allosteric AGPase mengendalikan aliran karbon menjadi pati. Fru6P = fructose 6-phosphate; Glc1P = glucose 1-phosphate; Glc6P = glucose 6-phosphate; TPT = triose-phosphate/phosphate translocator.

17. PERANAN Fru-2,6-P2 DALAM MENGENDALIKAN SINTESIS SUKROSE Reaksi sintesis sukrose dikatalisis oleh ensim-ensim: 1, Rubisco; 2, chloroplastic PGK and chloroplastic TPI; 3, chloroplastic Fru-1-6-P2 aldolase; 4, chloroplastic FBPase; 5, transketolase, sedoheptolase-1,7-bisphosphatase aldolase, sedoheptolase-1,7-bisphosphatase, phosphopentoepimerase, phosphoriboisomerase and phosphoribulokinase; 6, triose phosphate transporter; 7, cytoslic PGK and cytosolic TPI; 8, cytosolic Fru-1-6-P2 aldolase; 9, cytosolic FBPase; 10, cytosolic PGI ; 11, cytosolic PGM , 12, UGPase, 13, SPS, 14, sucrose phosphatase.

18. TRANSPORT SUKROSE Jalur-jalur metabolisme gula dan kompartementasi di dalam sel-sel jaringan simpanan. Gula dapat dikirim ke sel-sel simpanan melalui jalur apoplasmic atau symplasmic. Di dalam sink apoplasm, sucrose dapat dihidrolisis menjadi hexoses dengan bantuan ensim invertase ekstra-seluler.

19. TRANSPORT SUKROSE • Dalam jaringan fotosintesis, sucrose diekspor dari sel-sel, sebagian besar dengan jalan difusi dan selanjutnya diambil oleh kompleks phloem dengan mekanisme khusus ko-transpor sukrose /H+. • Setelah dalam kompleks phloem, sucrose diangkut ke sel-sel dalam jaringan heterotrophic “sink“. • Ada dua macam jaringan sink yang berbeda: • “utilisation sinks“, secara metabolik sangat aktif, jaringan yang tumbuh dengan cepat seperti meristems dan daun-daun muda, • “storage sinks“, seperti umbi, batang, akar atau buah, yang mengendapkan karbohidrat impor sebagai senyawa simpanan (misalnya pati, sucrose, lemak atau protein). • Sucrose yang diperoleh dari translokasi, oleh jaringan sink, dapat memasuki sel secara langsung melalui symplasm atau apoplasm (transport sukrose); atau mengalami pemecahan menjadi komponen heksose dan diangkut sebagai monosakarida. • Karbon yang diperoleh sel-sel heterotrophic bergerak terutama melalui jalur symplastic dan tidak dipecah menjadi glucose dan fructose selama pengangkutannya.

20. MOBILISASI SUKROSE DALAM JARINGAN SINK (SIMPANAN) • Sucrose yang dikirimkejaringansimpanandapatmengalamipemecahanmelaluisalahsatucaraini: • Dalamapoplast, olehaktivitasensim acid invertaseataudalamcytosololehkeduaencimberikutini • alkaline invertaseatau • sucrose synthase (SuSy).

21. Jalur pengosongan sukrose dan mobilisasi selanjutnya.

22. SUKROSE DALAM • JARINGAN SIMPANAN • Perilakusukrose yang diangkutsecaraapoplastikdalamjaringansimpanan: • Sucrose yang memasukiapoplastdapatdipecahmenjadi glucose dan fructose olehensim wall-invertasesebelummemasukiseljaringansimpanan, • sucrose dapatdiambilmasukkedalamseltanpaperubahan. • Dalamsymplastseljaringansimpanan, sucrose dapatdipecahmenjadi glucose dan fructose olehensimcytoplasmicinvertase, • sucrose dapatmemasuki vacuole tanpaperubahan. • Setelahdalam vacuole, sucrose dapatdipecahmenjadi glucose dan fructose olehensim vacuolar invertase, atautetaptidakberubah.

23. METABOLISME SUKROSE

24. KATABOLISME SUKROSE Sucrose dipecah oleh ensim invertase (β-fructofuranosidase) atau sucrose synthase . Hasil-hasil pemecahan sukrose menjadi cadangan glucose 6-P dan fructose 6-P dalam cytosol, yang dapat secara bebas ber-reaksi dalam ‘hexose-P pool’. Dalam cytosol, fructose 6-P dapat dikonversi menjadi fructose 1,6-P2 melalui dua reaksi yang berbeda, satu reaksi dikatalisis oleh ensim 6-phosphofructokinase dan reaksi lainnya dikatalisis oleh ensim PPi–fructose-6-P 1-phospho-transferase . Dashed arrows indicate alternative sources of fructose 1,6-P2. [PPi–fructose-6-P 1-phosphotransferase is confined to cytosol , so if fructose 6-P is phosphorylated in plastids, only one reaction is available.] Fructose 1,6-P2 is converted to 2 phosphoenolpyruvate (PEP) in glycolysis. As drawn, glycerone-P moves from cytosol to plastid, although other glycolytic intermediates (e.g. glucose 1-P, 3-P-glycerate and PEP) can also move from cytosol to plastids . Pi yang ditukar dengan glycerone-P selama proses transport cytosolic-plastidic diimbangi dengan pelepasan Pi neto dalam plastida. Cadangan hexose-P mensuplai glucose 6-P kepada plastids, dimana erythrose 4-P (E4P) dihasilkan oleh operasi siklis dari jalur oksidatif pentose phosphate (OPPP).

25. RESPIRASI Respirasi mulai dengan pemecahan sukrose menjadi hexose phosphates (hexose-P), glucose 6-P dan fructose 6-P. Sucrose breakdown is assumed to occur in the cytosol, though it can also occur in the apoplast. Sucrose dapat dipecah oleh ensim invertase atau ensim sucrose synthase . Produk dari kerja ensim invertase adalah glukosa dan fruktose, yang secara langsung dapat mengalami fosforilasi membentuk glucose 6-P dan fructose 6-P. Pemecahan Sucrose oleh ensim sucrose synthase menghasilkan fructose plus UDP-glucose. Fructose ini dapat secara langsung mengalami fosforilasi, menghasilkan fructose 6-P, dan UDP-glucose dapat dikonversi menjadi glucose 6-P dalam dua tahap reaksi.

26. STABILISASI UREA Urea bersifat higroskopis dan mudah larut dalam air (Urea yang terhidratasi secara optimal: Sekitar 6 - 8 moles air per mole urea )

27. Molekul Urea mengikat Molekul Air Keterkaitan molekuler molekul urea dengan molekul air. Molekul air terikat pada molekul urea oleh dua ikatan hidrogen (garis putus-putus). Atom hidrogen dinyatakan dalam bentuk bola putih, oksigen sebagai bola merah, atom nitrogen sebagai bola biru dan atom karbon sebagai bola hitam . NH2 CO H2O

28. Molekul Urea higroskopis dan mudah larut air Struktur Solvation molekul urea. Salah satu molekul air dalam solvation-shell menjalin dua ikatan hidrogen dengan urea.

29. Geometri Kristal Urea

30. HIDROLISIS UREA SECARA ENSIMATIS

31. UREASE: ENSIM HIDROLISIS UREA Beberapa jenis mikroba menghasilkan ensim Urease. Ensim ini sangat efektif mengkatalisis reaksi hidrolisis urea menjadi satu molekul CO2 dan dua molekul ammonia. Karena CO2 menguap, reaksi ini meningkatkan pH lingkungan melalui produksi Ammonium Hydroxide. Setelah berada dalam lingkungan, Urease akan menghidrolisis urea menjadi ammonia meskipun mikrobanya telah mati. If microbes have an abundance of energy-rich carbon foods, and plenty oxygen, they will rapidly oxidize toxic ammonia to harmless nitrates. These nitrates become available for plant or microbe metabolism or if in excess, decomposition to molecular Nitrogen. On the other hand, if energy food to support microbe growth is lacking, or if conditions go anaerobic, the microbes are unable to detoxify ammonia by transformation to nitrate. When this sequence occurs, ammonia buildup can quickly kill plants.

32. Biuret terbentuk oleh dekomposisi urea secara terkendali; kondensasi dua molekul urea menjadi satu molekul biuret, yang mengikat tiga atom nitrogen. Biuret lebih sukar larut dibanding dengan urea. 

33. ASAM HUMAT Struktur tipikal asam humat, mempunyai beragam komponen seperti quinone, phenol, catechol dan gula

34. STRUKTUR ASAM HUMAT Struktur asam humat mengandung gugus OH-fenol yang bebas dan yang terikat, struktur quinone, nitrogen dan oksigen sebagai jembatan serta gugus asam karboksilat dengan bermacam posisi pada cincin aromatik.

35. ASAM HUMAT MENGIKAT KATION TERSEDIA Komposisi molekuler asam humat sangat beragam, ia mempunyai beragam konstante disosiasi untuk logam –logam yang dikhelate oleh asam humat. Jenis logam yang berbeda diikat oleh asam humat dengan kekuatan yang berbeda, dan hal ini berarti bahwa suatu kation-khelat tertentu akan memodifikasi stabilitas ikatan logam lainnya. This peculiar metal binding capacity of humic acids is exemplified by the fact that when some alkali metals, such as K and Na, are bound by previously empty functional groups, then the chelated bonds of Fe and Al may rupture easier than if the humic acid molecule contains an alkali earth metal, such as Ca . Kemampuan khusus untuk mengikat logam ini juga akan dapat melindungi tanaman melalui kemampuan fraksi larut air dari humat (humic dan fulvic acids) membentuk endapan dengan sejumlah logam (Ca, Cd, Hg, Pb, Ba), membentuk senyawa tidak larut. Senyawa Kompleks yang terbentuk tidak tersedia bagi tanaman, dan konsentrasi toksikasi dalam larutan tanah akan berkurang .

36. KIMIAWI ASAM HUMAT Substansi humat merupakan campuran banyak molekul, sebagian merupakan inti aromatik dengan substituen fenolat dan karboksilat yang terikat bersama. Gugus fungsional fenolat dan karboksilat tersebut berkontribusi pada muatan permukaan dan reaktivitas asam humat. Humic acids behave as mixtures of dibasic acids, with a pK1 value around 4 for protonation of carboxyl groups and around 8 for protonation of phenolate groups. There is considerable overall similarities among individual humic acids. For this reason, measured pK values for a given sample are average values relating to the constituent species. The other important characteristic is charge density. Molekul-molekul dapat membentuk suatu struktur supramolecular yang diikat bersama oleh gaya-gaya non-covalent, seperti gaya Van der Waals, ikatan H-H, dan CH-H. The presence of carboxylate and phenolate groups gives the humic acids the ability to form complexes with ions such as Mg2+, Ca2+, Fe2+ and Fe3+. many humic acids have two or more of these groups arranged so as to enable the formation of chelate complexes. Pembentukan khelate merupakan aspek penting dari peranan biologis dari asam humat dalam mengendalikan ketersediaan hara logam.

37. Asam humat : Khelator Asam humat mempunyai kemampuan menjadi khelator. Khelator adalah molekul yang mampu mengikat logam-logam, termasuk logam berat yang toksik. Khelator ini juga mampu meningkatkan permeabilitas dinding sel, sehingga mempermudah transfer unsur hara logam. Asam humat dapat mengikat logam-logam hara esensial; menyerupai asam humat dalam bahan organik tanah yang mampu menyediakan hara bagi tanaman.

38. Khelat Cu-asam humat Bagan berikut menyajikan bagaimana kation Cu++ dikhelate oleh asam humat. Kation Cu++ pada posisi sentral (pusat) dikhelat oleh asam humat yang ukuran molekulnya lebih besar. Kation ini diikat secara ionik oleh dua gugusan asam karboksilat yang bermuatan negatif dan dikompleks dengan satu gugus asam amino netral. Secara bersama-sama ketiga gugusan ini mengikat kation dengan kekuatan yang jauh lebih besar daripada kekuatan masing-masing gugusan.

39. Skema pembentukan khelat logam M oleh asam humat

40. MANFAAT ASAM HUMAT? Mereduksi jumlah air yang diperlukan untuk tanaman yang sehat. Mereduksi penggunaan pupuk. Mereduksi kebutuhan pestisida. Helps control pollutant contamination. Makes plants more drought, heat and cold resistant. Adds incredible diversity to the Soil Food Web. Reduces the amount of water needed for healthy plant. Berfungsi sebagai bio-stimulant. Memperbaiki sifat fisika tanah. Menahan hara dalam bentuk dapat ditukar. Memperbaiki kondisi lengas tanah. Affects the release of plant nutrients through slow decomposition. Improves trace element nutrition through chelation of metallic & non-metallic ions. Chlorosis in plants has been prevented or corrected by humate application.

41. ASAM HUMAT MEMPERBAIKI STRUKTUR TANAH

42. ASAM HUMAT BLOCKER VIRUS Mekanisme kerja asam humat memblokir virus sehingga tidak dapat menyerang dan memasuki sel yang sehat. Viruses tidak dapat memperbanyak diri tanpa memasuki dan mengambil-alih DNA sel untuk membuat partikel virus baru. Dengan cara ini berarti mencegah terjadinya infeksi virus.