Dua bab sebelumnya menunjukkan bagaimana energi adalah dilestarikan dalam bentuk senyawa karbon, atau fotoasimilasi. Fungsi utama dari fotosintesis adalah untuk menyediakan energi dan karbon yang cukup untuk mendukung pemeliharaan dan pertumbuhan tidak hanya dari jaringan yang berfotosintesis tetapi tanaman secara keseluruhan. Selama siang hari photoassimilate dihasilkan oleh siklus PCR sementara akumulasi dalam daun sebagai sukrosa terdapat dalam vakuola mesofil atau pati di kloroplas stroma. Konversi photoassimilates untuk sukrosa atau pati disebut alokasi karbon. Meskipun sebagian dari karbon berasimilasi setiap hari disimpan oleh daun untuk mendukung pertumbuhan dan metabolisme, mayoritas diekspor keluar dari organ nonphotosynthetic dan jaringan. Selain itu, hasil asimilasi dimetabolisme secara langsung atau ditempatkan dalam penyimpanan untuk pengambilan dan metabolisme di lain waktu. Transportasi photoassimilates dari jarak jauh dikenal sebagai translokasi. Translokasi terjadi di pembuluh darah jaringan yang disebut floem. Translokasi floem adalah sangat signifikan proses yang berfungsi untuk memastikan efisien distribusi energi fotosintesis dan karbon antara organ seluruh organisme. Ini disebut partisi karbon. Translokasi floem untuk bidang pertanian berperan penting dalam menentukan produktivitas, hasil panen, dan efektivitas herbisida dan bahan kimia lainnya xenobiotik. STARCH
AND
SUCROSE
ARE
BIOSYNTHESIZED
IN
TWO
DIFFERENT
COMPARTEMENTS
Banyak
tanaman,
seperti
kedelai,
bayam,
dan
tembakau,menyimpan
hasil
photoassimilate sebagai pati di kloroplas, sementara yang lain, seperti gandum, barley, menumpuk pati sedikit tapi dalam jangka waktu lama berupa sukrosa dalam vakuola. Sintesis
karbon ditetapkan oleh siklus PCR menjadi biosintesis pati maupun sukrosa yang disebut alokasi karbon. Pati dan sukrosa nantinya akan dimobilisasi untuk mendukung respirasi dan kebutuhan metabolisme lainnya pada malam hari atau selama periode fotosintesis. Sukrosa diekspor dari sel daun menuju jaringan nonphotosynthetic dapat dimetabolisme segera, disimpan sementara sebagai sukrosa dalam vakuola, atau dikonversi ke pati untuk jangka panjang penyimpanan di kloroplas. Starch is Biosynthesized in the Stroma
Pati atau amilum adalah karbohidrat kompleks yang tidak larut dalam air, berwujud bubuk putih, tawar dan tidak berbau. Pati merupakan bahan utama yang dihasilkan oleh tumbuhan untuk menyimpan kelebihan glukosa (sebagai produk fotosintesis) dalam jangka panjang. Pati adalah suatu polisakarida yang mengandung amilosa dan amilopektin. Amilosa merupakan polisakarida berantai lurus bagian dari butir-butir pati yang terdiri atas molekulmolekul glukosa -1,4-glikosidik . Amilosa merupakan bagian dari pati yang larut dalam air, yang mempunyai berat molekul antara 50.000-200.000, dan bila ditambah dengan iodium akan memberikan warna biru. Amilopektin merupakan polisakarida bercabang bagian dari pati, terdiri atas molekulmolekul glukosa yang terikat satu sama lain melalui ikatan 1,4-glikosidik
dengan
percabangan melalui ikatan 1,6-glikosidik pada setiap 20-25 unit molekul glukosa. Amilopektin merupakan bagian dari pati yang tidak larut dalam air dan mempunyai
berat
molekul antara 70.000 sampai satu juta. Amilopektin dengan iodium memberikan warna ungu hingga merah atau asam dilakukan oleh asam atau enzim. Jika pati dipanaskan dengan asam akan terurai menjadi molekul-molekul yang lebih kecil secara berurutan dan hasilnya adalah glukosa. Perbedaannya adalah
jika pada hidrolisa amilum dengan menggunakan enzim
menghasilkan maltosa, sedangkan pada hidrolisa amilum dengan menggunakan asam dapat langsung menghasilkan glukosa. Maltosa merupakan hasil antara dalam proses hidrolisis amilum dengan asam maupun dengan enzim. Maltosa mudah larut dalam air dan mempunyai rasa lebih manis daripada laktosa, tetapi kurang manis daripada sukrosa. Pati Dextri Maltosa Glukosa Ada beberapa tingkatan dalam reaksi di atas. Molekulmolekul pati mula-mula pecah menjadi unit-unit rantaian glukosa yang lebih pendek yang disebut dextrin. Dekstrin adalah karbohidat yang dibentuk selama hidrolisis pati menjadi
gula oleh panas, asam atau enzim. Dekstrin ini dipecah lebih jauh menjadi maltosa (dua unit glukosa) dan akhirnya maltosa pecah menjadi glukosa. Salah satu cara yang dapat membantu penyediaan gula di Indonesia adalah membuat sirup glukosa (gula cair) dari pati. Sirup glukosa adalah nama dagang dari produk hasil hidrolisa pati. Produksi sirup glukosa ini diharapkan dapat menunjang kebutuhan gula di Indonesia pada saat ini dan masa mendatang atau setidaknya dapt berguna pada keadaan tertentu. Sirup glukosa juga dapat digunakan sebagai bahan tambahan dalam proses pengolahan bahan makanan, misalnya dalam pembuatan kue, es krim, permen dan lain-lain. Disamping mencari alternatif bahan substitusi gula. Gula alternatif yang sekarang sudah digunakan antara lain adalah gula siklamat dan stearin yang merupakan gula sintesis, serta gula dari pati seperti sirup glukosa, fruktosa, maltosa, manitol, sorbitol dan xilitol. tersebut melimpah di Indonesia. Diantara gula dari pati tersebut, sirup glukosa dan fruktosa mempunyai prospek yang baik untuk mensubtitusi gula pasir. Amilum dapat dijadikan sirup glukosa dengan cara hidrolisa asam,ataupun enzim. Pada hidrolisa tersebut keduanya menghasilkan gula reduksi. Sintesis pati di daun terjadi di kloroplas. Pati di daun terlihat jelas dalam mikograf elektron dari kloroplas tanaman C3. Selain itu, 2 enzim utama yang terlibat yaitu ADPglucose pyrophosphorylase dan pati-sintase ditemukan pada stroma kloroplas. Sintesis pati dalam kloroplas dimulai dengan heksosa fosfat yang dihasilkan oleh siklus PCR. Fruktosa-6-phosphate (F-6-P), fosfat heksosa stroma akan dikonversi menjadi glukosa-fosfat 1-, komponen lain dari heksosa fosfat stroma, dikonversi oleh dua enzim kloroplas, heksosa-fosfat isomerase (Persamaan 9.1) dan phosphoglucomutase (Persamaan 9.2). Glukosa-1-P kemudian bereaksi dengan ATP untuk membentuk ADP-glukosa (Persamaan 9.3). Reaksi 9,3 dikatalisis oleh fosforilasa ADP-glukosa enzim. ADP-glukosa merupakan bentuk aktif dari glukosa dan melayani
sebagai prekursor langsung untuk sintesis pati.
Simpanan pati dalam stroma kloroplas yang jelas sebagai pati biji-bijian. Sebagai akibatnya, bentuk karbon yang tersimpan adalah osmotik yang aktif (Bab 1) yang memungkinkan tanaman untuk menyimpan sejumlah besar karbon tetap di kloroplas dengan pengaruh minimal pada osmotik tekanan stroma. Hal ini mencegah membran kloroplas kelebihan jumlah akumulasi dan penyimpanan karbon tetap sebagai pati. fruktosa-6-P ↔ glukosa-6-P (9.1) glukosa-6-P ↔ glukosa-1-P (9.2) ATP + glukosa-1-P ↔ ADP-glukosa + H2O + Ppi (9.3) PPi + H2O ↔ 2pi (9.4)
Akhirnya, sintase pati enzim mengkatalisis pembentukan
dari link α-(1,4) baru,
menambahkan lebih banyak glukosa ke pemanjangan rantai (Persamaan 9.5). ADP-glukosa + α-(1 → 4)-glukan ↔ ADP+ Α-(1 → 4)-glucosyl-glucan (9.5) Pembentukan-α (1,6) hubungan bercabang, sehingga menimbulkan untuk amilopektin, dikatalisis oleh enzim percabangan, juga dikenal sebagai enzim Q-. Sucrose is Biosynthesized in the Cytosol
Sukrosa adalah disakarida larut yang mengandung glukosa dan residu fruktosa (Gambar 9.2b). Sukrosa dapat berfungsi sebagai penyimpanan produk seperti halnya di sugarbeets atau tebu, di mana ia disimpan dalam vakuola sel-sel penyimpanan khusus. Atau, mungkin sukrosa akan ditranslokasi ke lainnya, jaringan nonphotosynthetic di tanaman untuk penggunaan metabolisme langsung atau untuk konversi ke pati. Sukrosa adalah bentuk paling umum dari gula ditemukan dalam aliran translokasi. Tempat sintesis sukrosa dalam sel menjadi subyek perdebatan selama beberapa waktu. Atas dasar fraksinasi sel dan studi enzim lokalisasi itu kini telah jelas menetapkan bahwa sukrosa sintesis terjadi secara eksklusif dalam sitosol fotosintesis sel (Gambar 9.2). Sebelumnya laporan sintesis sukrosa terisolasi di kloroplas tampaknya disebabkan kontaminasi dari persiapan kloroplas dengan sitosol enzim. Selain itu, membran bagian dalam kloroplas kedap sukrosa, sehingga jika sukrosa disintesis di dalam kloroplas itu tidak dapat keluar dari kloroplas dan masukkan translokasi aliran. Dua rute sintesis sukrosa yang mungkin. Jalur utama untuk sintesis sukrosa dalam fotosintesis sel disediakan oleh enzim fosfat sukrosa sintase (Persamaan 9.6) dan fosfat sukrosa fosfatase (Persamaan 9.7). UDP-glucose + fructose-6-P ↔ sucrose-6-P + UDP (9.6) sucrose-6-P + H2O ↔ sucrose + Pi (9.7) Energi yang disediakan oleh hidrolisis sukrosa-6-fosfat (sekitar 12,5 kJ mol-1) mungkin memainkan peran dalam akumulasi konsentrasi sukrosa tinggi khas tebu dan lainsukrosa menyimpan tanaman.
Enzim lain sitoplasmik yang mampu mensintesis sukrosa
adalah sukrosa sintase (SS) (Persamaan 9.8): UDP-glukosa + fruktosa ↔ sukrosa + UDP (9.8)
Dengan perubahan energi bebas sekitar +14 kJ mol-1, reaksi ini tidak spontan. Sebagian besar bukti menunjukkan bahwa dalam kondisi normal SS beroperasi dalam arah terbalik untuk memecah sukrosa (Lihat Persamaan 9.11). Perhatikan bahwa, berbeda dengan biosintesis pati, sukrosa biosintesis oleh jalur baik memerlukan aktivasi glukosa dengan uridin trifosfat nukleotida (UTP) daripada ATP: UTP + glukosa-1-P ↔ UDP-glukosa + PPi (9.9) PPi + H2O ↔ 2pi (9.10) Meskipun sukrosa fosfat sintase pada beberapa jaringan dapat menggunakan ADPglukosa, UDP-glukosa jelas dominan. Karbon untuk biosintesis sukrosa sitoplasma diekspor khusus dari kloroplas melalui ortofosfat (Pi)-tergantung transporter terletak dalam membran kloroplas (Gambar 9.2). Ini pertukaran fosfat transporter Pi / triose Pi dan triose fosfatmungkin sebagai dihidroksiaseton fosfat (DHAP)-atas dasar satu-untuk-satu. Setelah di sitoplasma, dua molekul triose fosfat (gliseraldehida-3-fosfat dan DHAP) dikondensasikan untuk membentuk fruktosa-1 ,6-bifosfat. Selanjutnya, fruktosa-1 ,6bisphosphate masuk fosfat sitosol heksosa dan dikonversi menjadi glukosa-fosfat 1-seperti dalam kloroplas, sitoplasma rekan mempekerjakan dari enzim chloroplastic. Beberapa ortofosfat yang dihasilkan dalam sintesis sukrosa digunakan untuk menumbuhkan UTP sementara sisanya dapat masuk kembali dalam kloroplas untuk pertukaran triose-P. Sukrosa translokasi dari daun ke organ penyimpanan seperti akar, umbi jaringan, dan biji berkembang paling umumnya disimpan sebagai pati. Konversi sukrosa dengan pati umumnya diduga melibatkan pembalikan dari sukrosa sintase reaksi: Sukrosa + UDP → fruktosa + UDP - glukosa (9.11) Karena ADP-glukosa lebih disukai untuk biosintesis pati, UDP-glukosa diubah menjadi ADP-glukosa seperti yang ditunjukkan di (Persamaan 9.12) dan (9.13 Persamaan): UDP-glukosa + PPi ↔ UTP + glukosa-1-P (9.12) ATP + glukosa-1-P ↔ ADP-glukosa + H2O + Ppi (9.13) Yang dihasilkan ADP-glukosa ini kemudian diubah menjadi pati oleh s ynthase pati.
STARCH AND SUCROSE BIOSYNTHESIS ARE COMPETITIVE PROCESSES
Secara tradisional telah ketahui bahwa metabolisme karbohidrat adalah untuk sebagian besar diatur oleh hubungan source-sink. Daun photosynthetically aktif. Sebagai contoh, akan menjadi source, menyediakan berasimilasi karbon yang tersedia untuk transportasi ke sink, organ penyimpanan atau mengembangkan bunga atau buah. Hubungan antara sukrosa dan pati, dapat diamati dari perpindahan sink, sehingga mengurangi photoassimilate, mengakibatkan akumulasi pati dalam daun lebih banyak daripada karbon Dalam tanaman kedelai (Glycine max), akumulasi pati tidak terkait dengan panjang periode fotosintesis. Tanaman dipertahankan pada periode cahaya 7 jam menaruh lebih besar proporsi photoassimilate siang menjadi tapioka selain yang dikelola pada periode cahaya 14 jam, bahkan masa asimilasi hanya setengah dari panjang. Demikian tampak bahwa akumulasi pati daun lebih erat terkait dengan kebutuhan energi dari periode gelap sehari-hari dari fotosintesis. Hanya bagaimana kebutuhan diantisipasi oleh tanaman tidak diketahui. Namun, banyak spesies sekarang dikenal untuk mendistribusikan proporsi yang berbeda dari karbon antara pati dan sukrosa dengan cara mengaitkan kapasitas melekatkan kapasitas terisolasi kloroplas untuk membentuk pati. Karbon distribusi demikian tampaknya menjadi proses yang diprogram, beberapa ukuran kontrol melampaui hubungan source-sink. Selain itu, sukrosa sintesis dikontrol untuk mempertahankan yang pengoperasian efisien fotosintesis itu sendiri. Jika tingkat sukrosa sintesis melebihi laju asimilasi karbon, permintaan
triose-P
menghilangkan
dalam
sitoplasma
bisa
intermediet siklus PCR, sehingga
mengurangi kapasitas enzim siklus Calvin untuk regenerasi
RuBP
dan
Sementara
sintase
fosfat
fotosintesis enzim
terhambat.
sukros
(SPS)
menentukan kapasitas maksimum untuk sukrosa sintesis,
tampak
bahwa
fruktosa-1
,6-cytosolic
bisphosphate fosfatase (FBPase) memainkan lebih penting berperan dalam menyeimbangkan alokasi karbon antara sukrosa dan sintesis pati. Yang sangat eksergonik, Reaksi (fruktosa-1 ,6- bisphosphate → fruktosa-6-fosfat + Pi) menempati situs strategis dalam
sukrosa
sintetik
adalah
reaksi
pertama
ireversibel dalam konversi triose-P untuk sukrosa. Karenanya aliran karbon ke sukrosa dengan mudah dapat dikontrol dengan mengatur aktivitas FBPase- untuk mengatur aliran air dengan membuka atau menutup katup. Berbeda dengan FBPase chloroplastic, yang diatur oleh thioredoxin, yang FBPase sitosol tidak diatur oleh thioredoxin, melainkan cukup sensitif terhadap penghambatan oleh fruktosa-2 ,6-bisphosphate (F-2 ,6-BP)(Gambar 9.3). F-2 ,6-BP, analog dari substrat alami fruktosa-1 ,6-bisphosphate, dianggap regulator metabolit karena berfungsi sebagai regulator daripada substrat (Gambar 9.4). F-2 ,6-BP peka terhadap sejumlah faktor berinteraksi termasuk konsentrasi F-6-P dari sitosol heksosa fosfat dan triose-P/Pi cytosolic Rasio (Gambar 9.4). Pengendalian sintesis sukrosa oleh F-2 ,6-BP adalah penting untuk memastikan keseimbangan antara tingkat asimilasi CO2 dan alokasi karbon tetap. Misalnya, sukrosa ekspor dari sel melambat dalam keadaan terang, memimpin dengan akumulasi intermediet seperti F-6-P di kolam heksosa fosfat sitosol dan triose-P. Ini menyebabkan pergeseran dalam alokasi mendukung pati. Ketika konsumsi menurun sukrosa, sukrosa dan prekursor nya (misalnya, F-6-P) akan terakumulasi dalam daun sitosol heksosa pool (Gambar 9.2). Karena F-6-P juga prekursor untuk F-2 ,6-BP, tingkat inhibitor akan meningkat juga menghambatan FBPase dan akumulasi triose-P. Akumulasi intermediet terfosforilasi mungkin juga menurunkan konsentrasi Pi. Gabungan akumulasi triose-P dan penurunan Pi akan menurunkan tingkat di mana triose-P dapat diekspor dari kloroplas melalui transporter. Konsekuensi akumulasi triose-P dan penurunan ortofosfat dalam kloroplas akan merangsang sintesis pati (Gambar 9.2). Penurunan Pi stroma mengarah ke penurunan sintesis ATP (ADP + Pi → ATP). Hal ini menyebabkan penumpukan transthylakoid ini ∆PH, yang akan menghambat laju elektron fotosintesis transportasi melalui apa yang disebut fotosintesis kontrol. Kontrol fotosintetik didefinisikan sebagai peraturan dari tingkat transpor elektron fotosintesis oleh yang transthylakoid ∆pH. Hal ini menyebabkan pengurangan photosynthetic O2 dalam tingkat evolusi dan akhirnya laju asimilasi CO2. Tanaman menunjukkan seperti penghambatan fotosintesis dikatakan umpan balik terbatas. Banyak rincian tetap harus bekerja, tetapi jelas bahwa pati sintesis di kloroplas, ekspor triose-P , dan sukrosa sintesis dalam sitosol merupakan saldo
lancang. Keseimbangan dimodulasi oleh perubahan halus pada tingkat triose-P dan Pi serta regulasi yang tepat dari sejumlah enzim dan membutuhkan komunikasi antara dua kompartemen selular. Dengan demikian, alokasi karbon tetap baik untuk pati atau biosintesis sukrosa dalam sel mesofil daun menggambarkan bahwa jalur metabolisme benar-benar memiliki peran ganda: (1) untuk menyediakan energi dan karbon untuk pertumbuhan dan pemeliharaan homeostasis dan (2) untuk menyediakan Informasi yang berkaitan dengan status metabolisme dalam dua kompartemen yang berbeda.
