STRUKTUR DAN FUNGSI KLOROPLAS

Oleh Trisna Amelia, S.Pd., M.Pd

STRUKTUR DAN FUNGSI KLOROPLAS

 

Diskusikan, bagaimana perbandingan antara organisme autotroph dan heterotroph!

 

  1. Plastida

 

Plastida : Organel yang ditemukan di sel tumbuhan dan alga Berasal dari Endosimbiosis bakteri fotosintesis.

Struktur: Double membran, Ruang Intraseluler, DNA, Ruang yg bermembran (ex: Tilakoid

(Kloroplas), Tubulus (Kromoplas)

Fungsi: Fotosintesis, Sintesis Asam Amino dan Lipid, Penyimpanan Lipid, Karbohidrat dan Protein, menyediakan warna pada berbeda bagian tubuh tumbuhan, mengatur stomata, dll.

 

Propastida

Semua Plastida berasal dari Proplastida. Ukuran: 0.5–1.0 mm diameter, Belum terdiferensiasi dan tidak berwarna. Terletak di meristem dan sel yang membelah secara cepat ex: pucuk dan akar.  Proplastida merupakan prekursor untuk plastida yang telah terdiferensiasi. Ketika ada cahaya, proplastida berkembang menjadi kloroplas, berwarna hijau  karena mengandung pigmen fotosintesis (klorofil).

 

TIPE PLASTIDA

1. Leukoplas: Plastida yang Tidak Berwarna

2. Kromoplas: Plastida yang menghasilkan Warna Non Fotosintesis

3. Kloroplas: Plastida yang menghasilkan Warna Hijau Daun, disebut Klorofil

 

 

 

ETIOPLAS (type of proplastid)

  • Tipe proplastid, ditemukan di batang tp tidak di akar
  • Fase intermediat diferensiasi proplastid ke kloroplas ketika intensitas cahaya rendah (ketika gelap)
  • Me-restart diferensiasi kloroplas ketika cahaya cukup

 

1. LEUKOPLAS

  • Plastid yg tidak berwarna (colorless plastids), tanpa pigmen
  • Fungsi untuk menyimpan (storage)
  • Terdiri dari Amiloplas, Elaioplas (atau Oleoplas) dan Proteinoplas
  • Mereka masing2 menyimpan amilum (starch), lipid dan protein

 

TIPE LEUKOPLAS

  1. Amiloplas
  1. Mensintesis amilum (starch), dan menyimpannya di dalam sel (dalam bentuk granula amilum)
  2. Gravity sensors di sel akar
  3. Granula amiilum (starch granules) lebih padat dari air sehingga akan jatuh ke bawah sel
  4. Berinteraksi dgn mikrotubulus sel meristematik selama mitosis
  5. Amyloplasts ikut dalam metabolisme nitrogen

 

  1. Elaioplas/ Oleoplas
  • Plastid ukuran kecil
  • Mengandung minyak dan lipid dalam tetesan lemak
  • Elaioplas juga ikut dalam pematangan serbuk sari (pollen maturation)
  • Beberapa tumbuhan dapat menyimpan lipid dalam organel lain yang disebut Elaiosome (yg berkembang dari RE)

 

  1. Proteinoplas
  • Mengandung protein yg sangat tinggi sehingga membentuk kristal
  • Masih belum dipastikan bahwa ada plastid yg secara khusus menyimpan protein pada sel  tumbuhan

 

2. KROMOPLAS

  • Plastida yang menghasilkan warna selain hijau
  • Mengandung pigmen Karotenoid yang memberikan warna Kuning, Orange dan Merah ke struktur tumbuhan dimana mereka ada
  • Plastid tsb banyak terdapat di bunga, buah, daun tua, dan beberapa di akar sesuai fungsi
  • untuk menarik serangga polinator/ penyebar biji
  • Metabolismenya aktif, mengandung sedikit copy DNA dibandingkan kloroplas
  • Tidak seluruh warna pada tumbuhan disebabkan oleh pigmen dalam plastida, sebab dalam cairan vakuola juga dapat ditemukan sebagai zat warna

  • Macam-macam warna / pigmen:
  1. Karotin : Berwarna kuning, misalnya pada wortel
  2. Xantofil : Berwarna kuning pada daun yang tua
  3. Fikosantin : Berwarna coklat pada ganggang Phaeophyta
  4. Fikosianin: Berwarna biru pada ganggang Cyanophyta
  5. Fikoeritrin : Berwarna merah pada ganggang Rhodophyta
  6. Antosianin : Memberi warna merah sampai kuning pada bunga
  • Kromoplas memiliki lipid yg mengandung karotenoid dan kompleks molekul yg disebut FIBRIL
  • Kromoplas berdiferensiasi dari kloroplas maupun proplastid
  • Selama diferensiasi dari kloroplas, mesin fotosintesis di tilakoid terdegradasi dan karotenoid disintesis bersamaan dengan kompartemen, kompartemen itu dikenal dgn Plastoglobulin (mengandung lipid; kebanyakan Triacylglyceride yg terdapat di stroma
  • Karotenoid, terutama xantofil disimpan di plastoglobulin yang kemudian dapat membentuk filamen/ kristal
  • Chromoplasts mengembangkan system membran internal di bagian luar stroma
  • Membran baru muncul dari membran dalam dan tidak dari tilakoid yg telah terdegradasi.
  • Karotenoid seperti lutein, beta-karotenoid, dan lain-lain, mungkin juga terkait dengan ini
  • membran baru
  • Selama pematangan kromoplas, konsentrasi pigmen bisa sangat tinggi sehingga membentuk kristal (spt beta-karotenoid pd akar wortel; Likopen pd tomat)
  • Karotenoid jg dapat berkelompok membentuk struktur tubular
  • Kromoplas jg memiliki struktur granula amilum (starch granules) dan kumpulan
  • protein
  • Kromoplas dapat berubah mjd kloroplas kembali
  • Ex; Buah lemon, akar wortel ketika terkena Cahaya

 

TIPE PLASTIDA LAIN

  1. Gerontoplas: berdiferensiasi dari kloroplas, selama masa penuan sel
  2. Muroplas: ditemukan di glaucocystophyta algae dan mengandung dinding peptidoglycan yg terletak di membran dalam dan luar
  3. Plastida Tipe S dan T: ditemukan di sel penyaring (sieve cells) floem
  4. Rhodoplas: Plastida fotosintesis yg ditemukan pada algae merah yg mengandung klorofil tipe a, tetapi bukan klorofil tipe b atau c. Memiliki tilakoid dan mengandung pigmen merah Phycobilisomes, yg dapat menangkap panjang gelombang cahaya dibawah air laut
  5. Kleptoplas: Rhodoplas yg dimakan Elysia chlorotica dr algae merah kemudian berkembang menjadi plastid tersendiri di dalam tubuhnya
  6. Apikoplas: plastid yg terdapat pada parasite, spt Plasmodium

 

TIPE DAN DIFERENSIASI PLASTIDA

Gambar Tipe Plastida dan Diferensiasi Plastida (modifikasi dari Jarvis and López-Juez, 2013)

 

Gambar Plastida. Kloroplas (A dan B). A) Pada Jaringan Parenkim. A

stoma ditunjukkan oleh B). Kromoplas (C dan D) dari Tomat. Amiloplas (E dan F) dari Kentang.

  1. Gambar 1. Struktur Kloroplas

    Kloroplas
  1. Struktur Kloroplas

Salah satu organela yang terdapat pada tumbuhan adalah kloroplas. Sel-sel tumbuhan tingkat tinggi umumnya memiliki antara 50-200 organela klroplas. Kloroplas dapat dilihat menggunakan mikroskop cahaya dengan perbesaran yang paling kuat. Panjang kloroplas antara 5-10 µm dan ketebalan antara 2-4 µm.  Dilihat dari atas bentuknya lonjong atau ellipsoid, dilihat dari salah satu sisi dapat berupa permukaan atas cembung dan permukaan bawah cekung.

Kloroplas pada umumnya ditemukan pada sel mesofil, jaringan yang terdapat pada interior daun. Sel mesofil biasanya memiliki sekitar 30 sampai 40 kloroplas. Kloroplas memiliki membran rangkap yaitu membran luar dan membran dalam. Antara membran luar dan membran dalam dipisahkan oleh ruang antar membran. Membran dalam tidak membentuk krista seperti pada mitokondria, namun berhubungan atau bersambungan dengan kompleks membran di bagian dalamnya. Disela-sela komplek membran berisi matrik yang disebut stroma. Suatu sistem rumit yang terdiri dari kantong-kantong bermembran yang saling terhubung disebut tilakoid yang memisahkan stroma dari kompartemen lain yang disebut membran tilakoid. Di beberapa tempat, kantong-kantong tilakoid bertumpuk membentuk grana (tunggal disebut granum).

Komponen utama dari kloroplas

  1. Membran Luar 

Membran luar kloroplas tumbuhan tinggi dipisahkan dari membran dalam oleh ruang antar membran yang tebalnya 10 nm. Membran inti permeabel terhadap senyawa-senyawa dengan berat molekul rendah seperti nukleotida, fosfat inorganik, derivat yang mengandung fosfat, asam karboksilat, dan sukrosa. Jadi ruang antar membran dapat dengan bebas menggunakan segala macam molekul nutrien dari sitosol. Dilihat dari permeabilitasnya, fungsi membran luar kloroplas dan mitokondria mempunyai persamaan.

  1. Membran Dalam

Membran dalam kloroplas merupakan barier/penghalang antara sitosol dan stroma kloroplas. Membran dalam permeabel terhadap sukrosa, sorbitol, dan bermacam-macam anion misalnya di dan trikarboksilat, fosfat, persenyawaan-persenyawaan seperti nukleotida dan gula fosfat. Meskipun membran dalam impermeabel terhadap sejumlah persenyawaan, namun membran dalam permeabel terhadap CO2 dan asam monokarboksilat tertentu seperti asam asetat, asam gliserat, dan asam glikolat, serta kurang permeabel terhadap asam amino. Seperti membran dalam mitokondria, membran dalam kloroplas berisi karier khusus untuk mentranspor agen metabolic penting dalam fotosintesis seperti fosfat, fosfogliserat, dehidroksoaseton fosfat, dikarboksilat dan ATP.

  1. Stroma

Cairan yang berada dalam membran membran ganda disebut stroma. Komponen internal serta beberapa zat terlarut tersebar ke stroma. Stroma kaya protein, dan mengandung beberapa enzim yang diperlukan untuk proses penting seluler. DNA kloroplas juga hadir dalam stroma bersama dengan ribosom dan molekul lain yang diperlukan untuk sintesis protein. Pati disintesis melalui fotosintesis disimpan dalam stroma dalam bentuk butiran.

 

Tabel Komponen Kimiawi Kloroplas

  1. Tilakoid

Selain dua membran yang membentuk membran, kloroplas mengandung sistem membran internal yang ketiga yang disebut membran tilakoid. Tilakoid internal, membran-terikat kompartemen yang dibentuk oleh membran tilakoid tersebut. Bagian internal tilakoid disebut lumen tilakoid, dan berisi plastocyanin dan molekul lain yang diperlukan untuk pengangkutan elektron.

  1. Grana

Beberapa tilakoid tersebut diatur dalam bentuk cakram yang ditumpuk antara yang satu dengan yang lain. Tumpukan ini disebut grana, dan terhubung satu sama lain melalui tilakoid intergrana atau tilakoid stroma.

Tabel Komponen Kimiawi Lamela Stroma dan Grana

 

Gambar Struktur Umum Kloroplas

  1. Genom

Genom kloroplas berupa molekul DNA sirkuler, terdapat dalam beberapa salinan (copy) per

Organel. Ukurannya bervariasi (120-160 kb). Terdapat sekitar 150 gen (tergantung pada organisme). Gen kloroplas mengkode RNA & protein,  seiring dengan mRNA, t-RNA & rRNA dikodekan oleh genom kloroplas. Namun 2000-3500 polipeptida dari kloroplas dikodekan oleh gen inti. Untuk kelancaran fungsi organel, genom inti dan genom kloroplas bekerja secara sinergis. Contoh beberapa subunit dari RNA polimerase dan enzim Rubisco yg ditemukan di kloroplas dikodekan oleh genom kloroplas sendiri sedangkan sisanya dari subunit dikodekan oleh inti dan kemudian diimpor dalam kloroplas

Gambar Peta Gen pada Plasmid Kloroplas

 

  1. Fungsi Kloroplas

Fungsi kloroplas adalah tempat berlangsungnya proses fotosintesis, yang terdiri dari satu set reaksi yang memanfaatkan energi matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia. Selain itu komponen kloroplas berpartisipasi dalam beberapa fungsi regulasi sel serta dalam fotorespirasi. Pada dasarnya fotosintesis seperti juga reaksi pada mitokondria merupakan pembentukan ATP dan melibatkan transport hidrogen dan elektron dalam senyawa-senyawa seperti NADH dan sitokrom. Perbedaannya adalah bahwa fotosintesis menggunakan cahaya sebagai sumber energi dan bukan substrat kimia, fotosintesis menggunakan CO2 dan air, menghasilkan oksigen dan karbohidrat. Reaksi fotosintesis dirangkum sebagai berikut:

6CO2     +   12H2O   +   energy cahaya à C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

 

fungsi kloroplas

Gambar 2. Reaksi terang dan siklus Cakvin yang terjadi pada kloroplas

 

Peran kloroplas dalam fotosintesis digambarkan di bawah ini, diikuti dengan deskripsi peran berbagai komponen kloroplas

  • Membran dari kloroplas merupakan membran semi-permeabel yang mengatur keluar masuknya molekul dari kloroplas. Membran luar dan membran dalam memiliki spesialisasi protein antarmembran untuk pengangkutan molekul besar masuk dan keluar dari kloroplas. Selain itu, mereka adalah situs untuk sintesis molekul lipid tertentu juga pigmen karotenoid seperti yang diperlukan untuk pemanenan cahaya.
  • Kegiatan reaksi bergantung cahaya fotosintesis terjadi di grana dan fotosistem. Di sinilah pigmen fotosintetik seperti klorofil a, klorofil b, karotenoid menyerap energi cahaya, yang kemudian digunakan untuk memecah molekul air, dan pada akhirnya menimbulkan ATP, NADPH2 dan oksigen.
  • Stroma kloroplas merupakan tempat untuk reaksi fotosintesis gelap. Enzim-enzim di stroma memanfaatkan karbon dioksida dari atmosfer, serta ATP dan molekul NADPH2 dilepaskan dari grana, untuk mensintesis molekul gula dan pati. Proses ini juga dikenal sebagai fiksasi karbon dioksida, dan terjadi melalui serangkaian reaksi kolektif disebut siklus Calvin.

 

  • Bagian dari reaksi yang terjadi dalam proses fotorespirasi (fiksasi oksigen tergantung cahaya) terjadi pada stroma dari kloroplas. Reaksi lainnya berlangsung di mitokondria dan peroksisom. Fotorespirasi memainkan peran protektif selama kekeringan dan paparan radiasi yang tinggi.
  1. Proses Fotosintesis

Reaksi transfer elektron fotosintetik/ reaksi terang. Energi diterima dari energi cahaya yang berupa elektron dalam pigmen organic yaitu klorofil yang memungkinkan elektron bergerak sepanjang rantai transpor elektron di membran tilakoid. Klorofil mendapatkan elektron dari air (H2O), memproduksi O2. Selama proses transport elektron ion H+ dipompa keluar membran tilakoid sehingga terjadi perbedaan gradient proton yang mengarah ke sintesis ATP di stroma. Tahap terakhir dari rangkaian rekasi ini adalah elektron berenergi tinggi yang dapat mengubah NADP+ menjadi NADPH.

Reaksi fiksasi karbon/ reaksi gelap. ATP dan NADPH yang dihasilkan dari reaksi terang bertindak sebagai sumber energi yang digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat. Reaksi ini terjadi di dalam stroma kloroplas dan berlanjut ke sitosol. Gambar skematis terjadinya dua reaksi utama fotosintesis pada Gambar.

Secara terperinci reaksi fotosintesia terdiri dua fase:

  1. Reaksi terang = reaksi fotokimia = reaksi cahaya = reaksi Hill = fotolisis air.

Pada tahap pertama ini terjadi proses penangkapan energi surya atau proses-proses yang bergantung pada keberadaan cahaya. Proses ini biasa dinamakan reaksi terang. Reaksi-reaksi cahaya berlangsung pada bagian grana kloroplas. Sebagian energi matahari yang diserap akan diubah menjadi energi kimia, yaitu berupa zat kimia berenergi tinggi. Selanjutnya, zat itu akan digunakan untuk proses penyusunan zat gula. Sebagian energi matahari juga digunakan untuk fotolisis air (H2O) sehingga dihasilkan ion hidrogen (H+) dan O2. Ion hidrogen tersebut akan digabungkan dengan CO2 membentuk zat gula (CH2O)n. Sedangkan O2 -nya akan dikeluarkan.

Reaksi terang adalah proses untuk menghasilkan ATP dan reduksi NADPH2. Reaksi ini memerlukan molekul air. Proses diawali dengan penangkapan foton oleh pigmen sebagai antena. Pigmen klorofil menyerap lebih banyak cahaya terlihat pada warna biru (400-450 nanometer) dan merah (650-700 nanometer) dibandingkan hijau (500-600 nanometer). Cahaya hijau ini akan dipantulkan dan ditangkap oleh mata kita sehingga menimbulkan sensasi bahwa daun berwarna hijau. Fotosintesis akan menghasilkan lebih banyak energi pada gelombang cahaya dengan panjang tertentu. Hal ini karena panjang gelombang yang pendek menyimpan lebih banyak energi. Di dalam daun, cahaya akan diserap oleh molekul klorofil untuk dikumpulkan pada pusat-pusat reaksi. Tumbuhan memiliki dua jenis pigmen yang berfungsi aktif sebagai pusat reaksi atau fotosistem yaitu fotosistem II dan fotosistem I. Fotosistem II terdiri dari molekul klorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang 680 nanometer, sedangkan fotosistem I 700 nanometer. Kedua fotosistem ini akan bekerja secara simultan dalam fotosintesis, seperti dua baterai dalam senter yang bekerja saling memperkuat.

Figure 14-41. The structure of chlorophyll.Energi Cahaya dan Klorofil

Proses konversi energi dimulai ketika molekul klorofil (Gambar ) dilepaskan dengan adanya sebuah foton (kuantum cahaya) dan sebuah elektron dipindahkan dari orbit molekuler ke tingkat energi yang lebih tinggi seperti yang diilustrasikan pada Gambar.

 

Gambar 5. Struktur Klorofil; Atom Magnesium mengikat cincin porfirin (serupa dengan cincin porfirin yang mengikat atom Ferum pada protein haem. Elektron dilokalisasi sepanjang ikatan yang ditunjukkan oleh warna biru.

 

Figure 14-42. Three ways for an excited chlorophyll molecule to return to its original, unexcited state.

Gambar 6. Tiga Cara Elektron  yang Tereksitasi pada Molekul Klorofil  untuk Kembali pada Posisi Awalnya (Kondisi Tidak Tereksitasi); Energi cahaya diserap oleh molekul klorofil yang terisolasi secara sempurna dilepaskan sebagai energi cahaya dan energi panas. Proses 1 pada proses fotosintesis, klorofil mengalami proses 2 pada kompleks antena dan proses 3 pada pusat reaksi.

 

Elektron-elektron pada klorofil berasosiasi dengan ikatan rangkap yang tidak jenuh, sehingga jika klorofil mengabsorbsi cahaya tampak, elektron-elektron tersebut akan tereksitasi.  Energi eksitasi inilah yang digunakan dalam fotosintesis. Klorofil atau pigmen yang lain itu akan tetap dalam keadaan tereksitasi untuk waktu yang singkat, biasanya 10-9 detik atau bahkan kurang dari itu, energi eksitasi akan hilang pada waktu elektron kembali ke orbitnya semula.

Eksitasi molekul ini bersifat tidak stabil dan memiliki kecenderungan untuk kembali ke asalnya. Energi eksitasi yang diinduksi dalam suatu molekul atau atom oleh satu foton dapat hilang menurut tiga cara, yaitu:

  1. Mengkonversi kelebihan energi menjadi panas atau melalui kombinasi cahaya dan panas dari gelombang yang panjang (dalam bentuk fluoresensi), di mana proses ini terjadi ketika energi cahaya diserap oleh molekul klorofil ini. Fluoresensi klorofil dapat dilihat sebagai warna merah jika suatu larutan pigmen yang pekat disinari dengan cahaya biru atau ultraviolet. Fluroresensi klorofil dalam daun tidak mudah terlihat, karena sebagian besar energi eksitasi digunakan untuk melaksanakan fotosintesis.
  2. Dengan mentransfer energi (tidak dalam bentuk elektron) secara langsung ke molekul klorofil terdekat melalui proses yang disebut dengan resonansi transfer energi.
  3. Dengan memindahkan elektron berenergi tinggi ke molekul terdekat kemudian mengambil elektron berenergi rendah dari molekul lain. Energi ini digunakan untuk melaksanakan suatu reaksi kimia (fotosintesis).

Dalam tilakoid, setiap foton dapat mengeksitasi satu elektron dalam karotenoid atau klorofil. Klorofil berwarna hijau karena mengabsorpsi panjang gelombang hijau secara tidak efektif dan panjang gelombang itu direfleksikan atau ditransmisikan. Absorpsi spektrum klorofil a dan b menunjukkan bahwa sangat sedikit cahaya hijau dan kuning-hijau antara 500-600 nm di absorpsi in vitro; kedua klorofil dengan kuat mengabsorpsi panjang gelombang violet dan biru serta lembayung dan merah.

Karotenoid dalam tilakoid juga menyerahkan energi eksitasinya ke pusat reaksi yang sama seperti halnya klorofil. Spektrum absorpsi β-karoten dan lutein menunjukkan bahwa pigmen kuning ini hanya mengabsorpsi panjang gelombang biru dan violet in vitro. Mereka merefleksikan dan mentransmisikan panjang gelombang hijau, kuning, lembayung dan merah dan kombinasinya nampak kuning. Jika dibandingkan pengaruh dari berbagai panjang gelombang terhadap laju fotosintesis, diperoleh spektrum action. Spektrum action untuk fotosintesis sering cocok dengan spektrum absorpsi setiap pigmen yang berpartisipasi.

Daun sebagian besar spesies mengabsorpsi lebih dari 90% panjang gelombang violet dan biru, persentase panjang gelombang lembayung dan merah yang diabsorpsi juga hampir sebesar itu juga. Hampir semua absorpsi ini dilakukan oleh kloroplas.

Dalam proses fotosintesis, energi eksitasi dari berbagai pigmen dapat dipindahkan ke pigmen pengumpul energi yaitu ke satu pusat reaksi. Terdapat dua macam pusat reaksi dalam tilakoid yang keduanya terdiri dari molekul klorofil a. Energi dalam pigmen yang tereksitasi dapat dipindahkan ke pigmen di sebelahnya dan dari sana ke pigmen yang lain lagi dan seterusnya secara resonansi induktif hingga akhirnya energi mencapai pusat reaksi (fotosistem)

Gambar Panjang Gelombang Cahaya Fotosintesis

Gambar cahaya hijau dipantulkan, cahaya lain diserap (diteruskan)

 

 

2. Fotosistem 1 dan Fotosistem 2

Komplek multi protein yang disebut sebagai fotosistem (selanjutnya disingkat fotosistem) mengkatalis pengubahan molekul klorofil yang tereksitasi ke bentuk yang dapat digunakan.

Figure 14-43. The antenna complex and photochemical reaction center in a photosystem.

Gambar 7. Kompleks Antena dan Pusat Reaksi Fotokimia pada Sebuah Fotosistem. Kompleks antena merupakan kolektor energi cahaya dalam bentuk elektron tereksitasi. Energi dari elektron tereksitasi disalurkan melalui transfer resonansi energi ke molekul klorofil tertentu pada pusat reaksi fotokimia.  Pusat reaksi kemudian menghasilkan elektron berenergi tinggi yang secara cepat dapat melewati  rantai transpor elektron  pada membran tilakoid.

 

Fotosistem terdiri dari 2 komponen, yaitu:

  1. kompleks antena yang mengandung molekul pigmen yang menambat cahaya matahari dan memindahkannya ke pusat reaksi, dan
  2. pusat reaksi fotokimia, yang mengandung kompleks protein dan klorofil yang memungkinkan energi cahaya diubah ke dalam bentuk energi kimia.

Kompleks antena penting dalam penambatan energi cahaya. Dalam kloroplas, kompleks antena ini terdapat dalam kompleks protein membran yang berbeda. Protein ini mengikat ratusan molekul protein pada setiap pusat reaksi, mengorientasikannya dengan tepat pada membran tilakoid. Pada beberapa tumbuhan terdapat pigmen tambahan yang disebut dengan karotenoid, yang melindungi klorofil dari oksidasi dan membantunya mengumpulkan cahaya dari gelombang yang berbeda, serta menempatkannya pada setiap kompleks. Ketika molekul klorofil pada komplek antena tereksitasi, energi secara cepat di transfer dari satu molekul ke molekul lain dengan energi resonansi sehingga mencapai pasangan yang sesuai di dalam molekul klorofil. Tiap kompleks antena berfungsi sebagai penyebar energi cahaya yang telah dikumpulkan sehingga mencapai tempat yang spesifik dimana ia digunakan secara efektif.

Pusat reaksi fotokimia merupakan suatu kompleks pigmen-protein transmembran yang terletak pada pusat fotosintesis. Dengan memindahkan elektron berenergi tinggi dari klorofil, pusat reaksi fotokimia memindahkannya ke posisi yang stabil.

Terdapat dua kelompok pigmen dalam fotosintesis yang tergabung dalam fotosistem:

  1. Fotosistem 1 :mengabsorpsi cahaya merah dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Terdiri dari klorofil a 683 dan P 700 serta karotenoid (λ 430–490 nm). Klorofil a 683 mempunyai absorpsi maksimum pada λ 683 nm, P 700 mempunyai absorpsi maksimum pada λ 700 nm.
  2. Fotosistem 2 :Mengabsorpsi cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek dari 680 nm. Terdiri dari klorofil a 673 (absorpsi maksimum pada λ 673 nm) dan klorofil b (λ 455-640 nm). Untuk memperoleh hasil fotosintesis maksimum kedua fotosistem harus bekerja bersama-sama.

 

Cara Kerja Fotosistem

Energi foton diabsorpsi oleh karotenoid dan klorofil a 683, lalu diteruskan ke P700. Mekanisme pemindahan energi di antara molekul pigmen terjadi secara resonansi induktif, dengan cara ini energi dapat dipindahkan dari karotenoid ke klorofil a 683 atau dari klorofil b ke klorofil a 673. Dari klorofil a 683 ke karotenoid energi tidak dapat dipindahkan, karena untuk menjadikan karotenoid tereksitasi diperlukan lebih banyak energi. Akhirnya energi eksitasi mencapai pusat reaksi P700 yang menyerap panjang gelombang yang lebih panjang (energi lebih rendah) dari pigmen-pigmen sekitarnya.

Fotosintesis dapat dibagi atas 2 fase :

  1. Reaksi fotokimia; reaksi fotolisis, reaksi Hill; reaksi fotofosforilasi. Reaksi ini berlangsung dalam gran Reaksi pada Fase I ini menghasilkan ATP dan NADPH2.
  2. Reaksi termokimia; reaksi fiksasi CO2; reaksi reduksi CO2. Reaksi termokimia ini membutuhkan ATP dan NADPH2 dari fase I. Reaksi ini terjadi di dalam stroma dan dapat berlangsung tanpa ada cahaya (gelap).

Figure 14-37. The reactions of photosynthesis in a chloroplast.

Gambar 8. Reaksi Fotosintesis pada Kloroplas; molekul air dioksidasi dan oksigen dilepaskan pada reaksi transfer elektron fotosintetik, sementara itu CO2 difiksasi untuk menghasilkan molekul gula dan molekul organik lainnya.

 

3. Proses Fotosintesis

  1. Fotofosforilasi siklik dan fotofosforilasi nonsiklik (reaksi fotokimia)
  1. Fotofosforilasi nonsiklik

Fotosintesis pada tumbuhan dan Cyanobakteria menghasilkan ATP dan NADPH secara langsung melalui dua tahap yang disebut fotofosforilasi nonsiklik. Dengan 2 fotosistem (fotosistem 1 dan 2) yang digunakan untuk mengaktifkan elektron, elektron dapat ditransfer dari air ke NADPH.

Fotosistem yang pertama dari kedua jenis fotosistem, disebut sebagai fotosistem 2. Fotosistem 2 memiliki kemampuan untuk menarik elektron dari air. Oksigen dari 2 molekul air diikat ke atom mangan dengan suatu enzim. Enzim ini memungkinkan elektron untuk dipindahkan dari air, untuk memenuhi kekurangan elektron pada molekul klorofil sebagai efek eksitasi elektron oleh energi cahaya. Ketika 4 elektron dipindahkan dari 2 molekul air, oksigen dilepaskan. Fotosistem 2 mengkatalis reaksi:

2H2O + 4 foton à 4H+ +4e- +O2

Quinon memberikan elektronnya kepada sistem pompa ion H+ yang disebut dengan kompleks sitokrom b6-f (kompleks ini analog dengan kompleks sitokrom b-c1 pada mitokondria). Sitokrom b6-f memompa ion H+ melewati membran tilakoid untuk masuk ke dalam ruang tilakoid. Gradien elektrokimia yang dihasilkan dari proses pemompaan ini akan memicu sintesis ATP oleh ATP sintase.  

Figure 14-46. Electron flow during photosynthesis in the thylakoid membrane.

Gambar 9. Aliran Elektron Selama Proses Fotositesis pada Membran Tilakoid; perpindahan pembawa elektron pada rantai transfer elektron adalah plastoquinon (yang memiliki kesamaan dengan ubiquinon pada mitokondria), plastosianin, dan ferredoxin (protein kecil yang mengandung pusat besi dan sulfur). Ion H+ yang dilepaskan melalui reaksi oksidasi air masuk ke membran tolakoid untuk digunakan dalam sintesis NADPH di dalam stroma. Ion H+ juga digunakan untuk menciptakan perbedaan gradien H+ yang akan memicu sintesis ATP.

 

Akseptor elektron terakhir dari rantai transfer elektron ini merupakan fotosistem kedua (fotosistem 1), yang menerima sebuah elektron pada bagian yang kekurangan elektron sebagai akibat eksitasi dari cahaya terhadap molekul klorofil pada pusat reaksi. Tiap elektron yang masuk ke dalam fotosistem 1 menjadi elektron berenergi tinggi yang memungkinkannya melewati feredoksin (pusat Fe dan S) dan kemudian mencapai NADP+ untuk membentuk NADPH.

Figure 14-47. Changes in redox potential during photosynthesis.

Gambar 10. Perubahan Potensial Redoks Selama Proses Fotosintesis; potensial redoks tiap molekul ditunjukkan oleh posisinya sepanjang garis vertikal. Pada fotosistem 2, reaksi eksitasi pada pusat reaksi memiliki potensial redoks yang cukup tinggi untuk menarik elektron dari air. Selanjutnya fotosistem 1 mengalirkan elektron dari klorofil tereksitasi  melalui ikatan ferum-sulfur.

 

Dua tahapan pengaktifan elektron pada tiap fotosistem, elektron berasal dari molekul air (yang secara normal elektron dalam air berikatan sangat kuat dengan potensial redoks +820 mV). Elektron ini dipindah ke NADPH dengan energi ikatan yang lebih lemah (potensial redoks -320 mV). Satu kuantum energi dari cahaya tampak tidak cukup mengatifkan semua elektron dari awal fotosistem 2 ke puncak fotosistem 1, yang membutuhkan perubahan energi untuk memindahkan elektron secara efisien dari air ke NADP+. Penggunaan dua fotosistem  yang terpisah ini, membutuhkan energi cahaya matahri. Energi ini ada yang digunakan untuk memompa ion H+ melewati membran tilakoid.

Aliran elektron dari H2O ke feredoksin melalui pembawa elektron memerlukan keikutsertaan kedua sistem pigmen dan menghasilkan ATP. Artinya kelebihan energi elektron hasil absorpsi foton digunakan untuk sinteisis ikatan fosfat berenergi tinggi. Sintesis ATP terjadi antara sitokrom B6 dan sitokrom f. Elektron dari H2O dibawa satu arah ke feredoksin dan akhirnya digunakan untuk mereduksi NADP. Elektron tidak didaurkan tapi digunakan oleh reaksi fiksasi CO2.

  1. Fotofosforilasi siklik

Kloroplas dapat Mensintesis ATP melalui Fotofosforilasi  Siklik tanpa Mensintesis NADPH

Pada fotofosforilasi nonsiklik elektron berenergi tinggi meninggalkan fotosistem 2 kemudian menghasilkan ATP serta melewati fotosistem 1  untuk menghasilkan NADPH. Proses ini menghasilkan lebih dari 1 molekul ATP untuk tiap pasang elektron dari pemecahan H2O yang digunakan untuk mensintesis NADPH. Tapi 1,5 molekul ATP yang dihasilkan dari pemecahan NADPH digunakan untuk fiksasi karbon. Untuk menghasilkan ATP yang lebih banyak, kloroplas dari beberapa spesies tumbuhan dapat mengubah fotosistem1 ke dalam bentuk siklus yang menghasilkan ATP namun tidak menghasilkan NADPH. Proses ini disebut dengan fotofosforilasi siklik. Pada siklus ini elektron berenergi tinggi dari fotosistem 1 ditansfer ke kompleks B6F pada sitokrom. Dari kompleks ini elektron dikembalikan ke fotosistem 1 dalam bentuk energi yang lebih rendah. Siklus ini selain menghasillkan energi berupa panas juga menghasilkan ion H+ yang dipompa sepanjang membran tilakoid oleh kompleks B6F. Peristiwa ini akan meningkatkan gradien elektrokimia proton yang akan mendorong aktifitas ATP sintase.

Dapat disimpulkan fotofosfrilasi siklik hanya melibatkan fotosistem 1, dan menghasilkan ATP tanpa membentuk NADPH atau O2. Aliran elektron secara siklik dan nonsiklik dapat diatur oleh sel untuk menentukan seberapa banyak energi cahaya yang dikonversi menjadi NADPH dan ATP.

Aktivasi fotosistem I oleh cahaya dengan λ lebih besar 680 nm menyebabkan elektron mengalir dari P700 ke feredoksin. Feredoksin tidak mampu meneruskan elektron tersebut ke NADP akan menyerahkan elektron tersebut ke sitokrom B6, sitokrom B6 meneruskan ke sitokrom f dan plastosianin dan P700. Sintesis ATP terjadi duakali yaitu antara feredoksin dan sitokrom B6 serta antara sitokrom B6 dan sitokrom f.

  1. Fiksasi CO2 (reaksi termokimia/ siklus Calvin)

Fiksasi Karbon Dikatalisis oleh Ribulosa Bifosfat Karboksilase

Reaksi sentral dari fiksasi karbon, di mana sebuah atom karbon inorganik dikonversi menjadi karbon organik diilustrasikan pada Gambar 11.

Figure 14-38. The initial reaction in carbon fixation.

Gambar 11. Reaksi Awal pada Fiksasi Karbon; pada reaksi ini, konversi CO2 menjadi karbon organik dikatalis oleh enzim bipospat karboksilase yang tersebar di dalam stroma . Produk dari reaksi ini adalah 3 pospogliserat yang merupakan produk antara dalam proses glikolisis. Dua atom karbon yang berwarna biru digunakan untuk menghasilkan pospogliserat pada saat di mana enzim yang sama juga menambahkan oksigen sebagai pengganti CO2

 

CO2 dari atmosfer digabungkan dengan lima karbon penyusun ribulosa 1-5 bipospat, ditambah dengan molekul air sehingga diperoleh dua molekul dengan 3 atom C  (3 pospogliserat). Reaksi fiksasi karbon yang ditemukan pada tahun 1948 ini, dikatalis oleh enzim yaitu ribulosa bipospat carboxilase. Karena aktivitas molekul enzim berjalan dengan sangat lambat (hanya sekitar 3 molekul dari substrat per detik berbanding 1000 melokul per detik pada enzim lainnya), maka dibutuhkan banyak molekul enzim untuk mengkatalis reaksi. Ribulosa bipospat karboksilase seringkali menyusun lebih dari 50% dari total protein kloroplas dan diperkirakan enzim ini merupakan protein dengan sebaran terbanyak di muka bumi.

 

Tiga Molekul ATP dan Dua Molekul NADPH  Diperlukan untuk Tiap Molekul CO2 yang Difiksasi

Jalur metabolik yang menghasilkan ribulosa 1-5 bipospat membutuhkan NADPH dan ATP. Siklus fiksasi karbon ini (biasa dikenal Siklus Calvin) tergambar sebagai berikut.

Siklus calvin dimulai ketika 3 molekul CO2 difiksasi oleh ribulosa bipospat karboksilase untuk menghasilkan 6 molekul 3-pospogliserat (yang terdiri dari 6 x 3 = 18 atom karbon di mana 3 di antaranya berasal dari CO2 dan 15 lainnya berasal dari 1,5-ribulisa bipospat). 18 atom karbon ini akan dibawa kepada suatu siklus reaksi di mana 3 molekul 1,5-ribulosa bipospat dikembalikan yang akan digunakan pada tahap awal fiksasi karbon (melibatkan 3 x 5 = 15 atom karbon). Reaksi ini menyisakan 1 molekul gliseraldehid 3-pospat (dengan 3 atom karbon) sebagai bahan baku pembentukan glukosa, asam lemak, dan asam amino melalui proses fosforilasi.

Energi total berupa  3 molekul ATP dan 2 molekul NADPH digunakan untuk mengkonversi tiap molekul CO2 menjadi karbohidrat. Reaksi ini dapat dituliskan sebagai berikut:

3CO2 + 9ATP + 6NADPH + air à gliseraldehid 3-pospat + 8 Pi + 9 ADP + 6 NADP+

Kemudian, ATP (sebagai rangkaian pospat berenergi) dan NADPH  dibutuhkan untuk pembentukan molekul organik dari CO2 dan H2O.

Siklus Calvin berlangsung dalam stroma kloroplas dan dapat dibagi atas 3 bagian utama yaitu :

  1. Karboksilase :

Karboksilasi adalah penambahan CO2 dan H2O ke RuBP membentuk dua  molekul APG.

  1. Reduksi :

Reduksi adalah perubahan gugus karboksil dalam APG menjadi gugus aldehid dalam PGAL.

  1. Regenerasi :

Regenerasi RuBP diperlukan untuk bereaksi dengan CO2 yang berdifusi ke dalam daun melalui stomata. Fase ini sangat kompleks karena melibatkan banyak gula. Dalam reaksi terakhir daur Calvin, ATP ketiga yang diperlukan untuk setiap molekul CO2 yang difiksasi, digunakan untuk mengubah Ribulosa-5-fosfat menjadi RuBP; kemudian daur dimulai lagi.

 

Figure 14-39. The carbon-fixation cycle, which forms organic molecules from CO2 and H2O.

Gambar 12. Siklus Fiksasi Karbon yang Menghasilkan molekul organik dari CO2 dan H2O. Jumlah atom karbon pada tiap molekul ditunjukkan pada kotak putih.

 

Gliseraldehid 3-pospat yang dihasilkan di dalam kloroplas melalui siklus fiksasi karbon merupakan molekul gula berkarbon 3 yang juga menjadi molekul perantara pada proses glikolisis. Sebagian dari molekul ini dibawa ke sitosol di mana molekul-molekul tersebut akan dikonversi menjadi fruktosa 6-pospat dan glukosa 1-pospat melalui reaksi-reaksi glikolisis. Glukosa 1-pospat dikonversi menjadi gula nukleotida (tipe UDP-glukosa (baca: uridine glukosa)), molekul ini digabungkan dengan fruktosa 6-pospat untuk membentuk sukrosa pospat (yang merupakan prekursor perantara sukrosa). Sukrosa merupakan bentuk paling umum dari glukosa yang ditransportasikan pada di antara sel-sel tumbuhan. Sebagaimana glukosa yang diedarkan melalui darah pada hewan, sukrosa dibawa dari daun melalui jaringan angkut.

Sebagian yang lain dari gliseraldehid 3-pospat yang terdapat pada kloroplas diubah menjadi pati di dalam stroma. Reaksi pengubahan ini terjadi dengan  mengubah gliseraldehid 3-pospat menjadi glukosa 1-pospat, yang akan digunakan untuk menghasilkan glukosa nukleotida ADP glukosa yang merupakan prekursor perantara. Pada malam hari pati dipecah untuk membantuk memenuhi kebutuhan metabolisme tumbuhan. Pati menyediakan bagian penting bagi nutrisi hewan yang memakan tumbuhan.

 

Fiksasi Karbon pada Beberapa Tumbuhan Dilakukan untuk Mendukung Pertumbuhan pada Kondisi dengan Kadar CO2 yang Rendah

Walaupun ribulosa bipospat karboksilase dapat menambahkan CO2 kepada ribulosa 1,5-bipospat, namun molekul ini dapat menggunakan O2 sebagai substrat sebagaimana halnya menjadikan CO2 sebagai substat. Dan pada kondisi dengan kadar CO2 rendah, ribulosa bipospat karboksilase akan menambahkan O2 kepada ribulosa 1,5 bipospat. Peristiwa ini merupakan langkah awal dari proses yang disebut sebagai fotorespirasi yang mengakibatkan penggunaan O2 dan pelepasan CO2 tanpa menghasilkan molekul penyimpan energi. Pada kebanyakan tumbuhan, sekitar 1-3 molekul CO2 yang difiksasi dilepaskan kembali pada proses fotorespirasi ini.

Fotorespirasi dapat menjadi masalah bagi tumbuhan pada kondisi panas dan kering. Kondisi ini menyebabkan tumbuhan menutup stomata untuk mengurangi pengurangan air yang berlebihan. Pada akhirnya menyebabkan kadar CO2 di daun menurun drastis. Adaptasi khusus pada daun beberapa jenis tanaman (seperti jagung, tebu) yang hidup di daerah kering. Pada jenis tanaman ini, siklus fiksasi karbon hanya terjadi di kloroplas pada sel seludang pembuluh yang mengandung enzim ribulosa bipospat karboksilase. Sel-sel ini dilindungi dari udara dan diselubungi oleh sel-sel mesofil yang terspesialisasi yang menggunakan energi dari kloroplasnya untuk memompa CO2 ke sel-sel seludang. Pnyediaan ribulosa bifosfat karboksilase ini dengan onsentrasi CO2 yang tinggi akan mengurangi fotorespirasi.

 

Jalur C-4, Asam Dikarboksilat

Pompa CO2 dihasilkan oleh siklus reaksi yang dimulai di dalam sitosol sel mesofil. Fiksasi CO2 dikatalis oleh enzim yang mengikat CO2 (sebagai bikarbonat) dan menggabungkannya dengan 3 molekul karbon aktif untuk menghasilkan 4 molekul karbon. 4 molekul karbon ini berdifusi ke dalam sel seludang dimana molekul tersebut dipecah untuk melepaskan CO2 dan  molekul beratom 3C. Siklus pemompaan akan berakhir ketika molekul beratom 3C dikembalikan ke sel mesofil dan diubah kembali dalam bentuk sebelumnya, karena CO2 pada dasarnya ditambat dengan mengkonversinya kebentuk molekul  beratom 4C, tumbuhan yang melakukan pompa CO2 ini disebut tumbuhan C4. Tumbuhan lain yang disebut dengan tumbuhan C3 dikarenakan oleh penambatan CO2nya dalam bentuk senyawa phospogliserat yang beratom C3.

Figure 14-40. Comparative leaf anatomy in a C3 plant and a C4 plant.

Gambar 13.Perbandingan Anatomi Daun Tumbuhan C3 dan Tumbuhan C4; Sel dengan sitosol berwarna hijau menunjukkan kandungan kloroplas, pada sel-sel ini berlangsung siklus fiksasi karbon secara normal. Pada tumbuhan C4, sel mesofil terspesialisasi untuk terjadinya pompa CO2 (lebih dari pada terspesialisasi untuk fiksasi karbon), kondisi ini memungkinkan terdapat rasio CO2 yang lebih tinggi daripada rasio O2 pada sel seludang, di mana sel ini merupakan satu-satunya sel pada tumbuhan C4 yang menjadi tempat terjadinya fiksasi karbon.

 

Sebagai beberapa proses transpor pompa CO2 ke dalam sel seludang pada tanaman C4 membutuhkan energi. Pada kondisi lingkungan panas dan kering, penggunaan energi ini bisa lebih rendah daripada energi yang hilang melalui fotorespirasi tanaman C3. Jadi tanaman C4 memiliki keuntungan potensial. Karena tumbuhan C4 mampu melakukan fotosintesis dalam kondisi berkadar CO2 rendah, mereka membutuhkan pembukaan stomata lebih sedikit dan bisa meningkat 2 kali lebih banyak karbon daripada tumbuhan C3 setiap kehilangan air. Walaupun sebagian besar tumbuhan tergolong C3, tumbuhan C4 seperti jagung dan tebu lebih efektif dalam mengkonversi energi cahaya matahari menjadi biomassa.

Spesies yang menghasilkan senyawa berkarbon-4 (asam malat dan asam aspartat) sebagai hasil pertama fiksasi CO2 disebut tumbuhan C-4. Reaksi yang mengubah CO2 (sebenarnya HCO3-) menjadi asam malat & asam aspartat adalah dengan berkombinasi dengan asam fosfoenolpiruvat (PEP) membentuk asam oksaloasetat dan iP. Asam oksaloasetat bukanlah merupakan hasil fotosintesis yang selalu terdeteksi. Enzim yang mengkatalisis reaksi itu adalah PEP karboksilase, suatu enzim yang terdapat dalam sitosol pada semua sel tumbuhan.

Reaksi selanjutnya adalah mengubah asam oksaloasetat menjadi asam malat dan asam aspartat. Asam oksaloasetat dan NADPH2 dengan bantuan enzim malat dehidrogenase diubah menjadi asam malat dan NADP. Malat dehidrogenase adalah suatu enzim kloroplas, yang berarti asam oksaloasetat harus masuk ke dalam kloroplas untuk direduksi menjadi asam malat. Pembentukan asam aspartat dari asam oksaloasetat berlangsung dalam sitosol dan memerlukan satu asam amino lain seperti alanin sebagai sumber gugus amino. Tipe reaksinya adalah transaminasi, karena melibatkan transfer gugus amino.

Pada spesies C-4 terdapat pembagian kerja antara dua sel fotosintesis yang berbeda yaitu antara sel-sel mesofil dan sel-sel seludang parenkim/pembuluh. Sel-sel seludang parenkim hampir selalu mengelilingi ikatan pembuluh daun dan memisahkannnya dari sel-sel mesofil. Asam malat & asam aspartat dibentuk dalam sel-sel mesofil sedangkan APG, sukrosa serta pati terutam dihasilkan dalam sel-sel seludang pembuluh. Rubisco hanya terdapat dalam sel-sel seludang parenkim, demikian pula enzim-enzim daur Calvin yang lain, sehingga daur Calvin hanya berlangsung dalam sel-sel seludang parenkim. Sebaliknya PEP karboksilase terutama terdapat dalam sel-sel mesofil. Jadi spesies C-4 menggunakan kedua macam mekanisme fiksasi CO2.

Alasan bahwa CO2 pertama-tama terdapat dalam bentuk asam malat & asam aspartat adalah karena CO2 mula-mula masuk ke dalam sel-sel mesofil setelah melewato stomata, dan aktivitas PEP karboksilase dalam sel-sel mesofil tinggi sedangkan Rubisco tidak terdapat. Sebagian besar CO2 yang kini terdapat dalam gugus karboksil dari asam malat & asam aspartat dengan cepat dipindahkan, mungkin melali plasmodesmata, ke dalam sel-sel seludang parenkim. Di sini senyawa-senyawa tersebut mengalami dekarboksilasi dengan melepaskan CO2 yang kemudian difiksasi oleh RuBP dengan bantuan Rubisco diubah menjadi APG. Jadi sumber utama CO2 bagi sel-sel seludang parenkim adalah asam-asam C-4 yang dibentuk dalam sel-sel mesofil. Sukrosa dan pati selanjutnya dibentuk dari APG dalam sel-sel seludang parenkim menggunakan reaksi-reaksi daur Calvin dan reaksi-reaksi lain. Asam-asam berkarbon tiga (asam piruvat dan alanin) yang dihasilkan dari dekarboksilasi asam-asam C-4 kemudian dikembalikan ke sel-sel mesofil untuk memulai lagi proses dekarboksilasi sehingga daur terus berlangsung. Asam-asam C-4 yang dibentuk dalam sel-sel mesofil nampaknya hanya merupakan pembawa (carrier) CO2 ke sel-sel seludang parenkim.

Pada spesies yang membentuk banyak aspartat dari pada malat, aspartat yang masuk ke sel seludang parenkim diubah kembali menjadi oksaloasetat secara transaminasi. Kemudian oksaloasetat direduksi menjadi malat oleh malat dehidrogenase yang bergantung NADH2. Malat mengalami dekarboksilasi oksidatif oleh enzim malat yang menggunakan NAD sebagai akseptor elektron. Hasilnya adalah piruvat, CO2 dan NADH2. Selanjutnya piruvat diubah menjadi alanin oleh transminasi yang lain. Pada waktu alanin bergerak kembali ke sel-sel mesofil, nitrogen yang terdapat didalamnya mengganti nitrogen yang hilang pada waktu aspartat diangkut ke sel-sel seludang parenkim.

Spesies yang terutama membentuk malat memindahkan malat ke sel seludang parenkim dan di sana akan mengalami dekarboksilasi oksidatif menjadi CO2 dan piruvat dengan bantuan enzim malat bergantung NADP. NADPH2 yang dihasilkan digunakan dalam perubahan APG menjadi PGAL. Sistem dekarboksilasi ke-3 berlangsung terutama pada pembentuk aspartat dan melibatkan oksaloasetat yang dibentuk dalam seludang parenkim. Dalam sistem ini yang dikatalisis oleh PEP karboksilase, oksaloastat bereaksi dengan ATP melepaskan CO2, PEP dan ADP. CO2 difiksasi oleh Rubisco masuk ke dalam daur Calvin dan akhirnya diubah menjadi karbohidrat.

Asam berkarbon-3 dikembalikan ke dalam mesofil untuk meregenerasikan PEP yang diperlukan untuk kesinambungan fiksasi CO2. Prosesnya adalah sebagai berikut : Alanin diubah menjadi piruvat oleh proses transaminasi, kemudian oleh enzim piruvat, fosfat dikinase yang menggunakan ATP piruvat diubah menjadi PEP dan pirofosfat. Dalam daun piruvat, fosfat dikinase ditemukan hanya dalam sel-sel mesofil tumbuhan C-4 dan tumbuhan CAM.

Energi yang diperlukan untuk melangsungkan jalur C-4 bersama-sama dengan jalur Calvin, menunjukkan bahwa untuk tiap CO2 yang difiksasi, diperlukan 2 ATP selain 3 ATP yang digunakan dalam daur Calvin. Dua ATP ini diperlukan untuk mengubah asam piruvat menjadi PEP dan AMP menjadi ADP, sehingga sintesis PEP dapat dipertahankan untuk dapat menfiksasi CO2.

Tambahan NADPH2 tidak diperlukan, karena untuk setiap NADPH2 yang digunakan untuk mereduksi oksaloasetat dalam sel mesofil, satu NADPH2 juga diperoleh dari kerja enzim malat dalam sel seludang parenkim. Walaupun nampak tidak efisien dalam penggunaan ATP pada spesies C-4, tumbuhan ini hampir selalu menunjukkan laju fotosintesis yang lebih cepat berdasarkan luas daun dari pada laju fotosintesis spesies C-3, jika kedua tumbuhan tersebut didedahkan pada tingkat cahaya dan suhu tinggi. Jika suhu mencapai 25-35oC dan iradiasi cahaya tinggi, tumbuhan C-4 kira-kira dua kali lebih efisien daripada tumbuhan C-3 dalam merubah energi matahari menjadi materi kering. Efisiensi yang rendah pada sebagian besar tumbuhan C-3 disebabkan terutama dari hilangnya sebagian CO2 yang difiksasi oleh peristiwa fotorespirasi. Sedikit atau tidak ada CO2 hilang pada tumbuhan C-4.

 

Perbandingan Kloroplas dan Mitokondria

Kloroplas membawa energinya melalui mekanisme kemiosmotik sebagaimana mekanisme yang dilakukan oleh mitokondria. Meskipun kloroplas berukuran lebih besar, namun prinsip kerjanya sama dengan mitokondria. Kloroplas memiliki membran luar yang sangat permeabel, membran dalam di mana transpor protein terjadi relatif kurang permeabel, serta ruang intermembran di antara keduanya. Kedua membran ini membentuk pembungkus kloroplas. Membran dalam mengelilingi ruang yang disebut sebagai stroma. Stroma yang mengandung enzim metabolik merupakan bagian yang analog dengan matriks mitokondria. Sebagaimana mitokondria, kloroplas memiliki genomnya sendiri dan memiliki sistem genetik sendiri. Pada stroma terdapat ribosom, RNA dan DNA kloroplas. DNA mitokondria dan kloroplas berbentuk sirkuler yang bentuknya sangat mirip dengan DNA bakteri dan sangat berbeda dengan DNA linier pada inti sel. DNA sirkuler terletak di bagian khusus pada matriks mitokondria dan stroma pada kloroplas disebut nukleoid. Replikasi DNA mitokondria dan kloroplas tidak tergantung pada DNA inti.

Perbedaan genom mitokondria juga memiliki perbedaan dengan genom kloroplas. Genom mitokondria terdiri dari 200 kilo basepairs (200 kb) lebih besar dari DNA mitokondria hewan. Genom kloroplas lebih kecil dari pada genom mitokondria yaitu hanya 145 kb. Jumlah total DNA genom mitokondria dan kloroplas lebih kurang sepertiga dari genom inti (Gunning dan Steer, 1996). DNA kloroplas dikode oleh DNA ribosom, RNA pemindah subunit besar enzim yang memfiksasi CO2, ribulosa 1,5 biphosphat karboksilase/ oksidase (rubisco) dan protein yang berperan dalam fotosintesis. Mayoritas protein kloroplas dikode oleh gen inti, sintesis terjadi di sitosol dan ditranspor ke organel yang bersangkutan.

Meskipun memiliki kesamaan, kloroplas juga memiliki perbedaan dengan mitokondria. Membran dalam pada kloroplas tidak melipat menjadi krista dan tidak mengandung rantai transpor elektron. Sebagai gantinya, kloroplas  memiliki sistem penambat cahaya fotosintetik. Perbedaan berikutnya dengan mitokondria adalah bahwa kloroplas memiliki kantung pipih (tilakoid) yang tersusun dalam suatu set (Gambar 3).

Figure 14-35. The chloroplast.

Gambar 3. Kloroplas; memperlihatkan kloroplas sebagai organel yang terdiri dari tiga membran yang berbeda (membran luar, membran dalam dan membran tilakoid) yang memisahkan tiga ruang terpisah (ruang intermembran, stroma, dan ruang tilakoid). Membran tilakoid mengandung klorofil.

Tilakoid mengandung enzim ATP sintase. Lumen pada tiap tilakoid memiliki hubungan dengan lumen tilakoid lainnya sehingga terbentuk suatu ruang  yang disebut sebagai ruang tilakoid (thylakoid space) yang dipisahkan oleh membran tilakoid dari ruang stroma. Struktur seperti ini tidak terdapat pada mitokondria.       

Perbedaan struktur antara mitokondria dan kloroplas terlihat pada Gambar 4. ATP sintase pada kloroplas, dikeluarkan dari membran tilakoid ke dalam stroma.

Gambar 4. Perbandingan Struktur Mitokondria dan Kloroplas; kloroplas pada umumnya memiliki ukuran yang lebih besar daripada mitokondria, kloroplas juga memiliki tilakoid. Berbeda dengan kloroplas, mitokondria memiliki membran yang melekuk ke dalam (krista) yang memperluas permukaan membran dalam organel itu.\