Bisa dibilang, bahan bakar terbesar kehidupan di planet kita adalah fotosintesis, tetapi memahami labirin kimianya, yang dinyalakan dengan tenaga sinar matahari, cukup menantang. Para peneliti baru-baru ini tetrcerahkan dengan beberapa tahapan baru di dalam pabrik ukuran molekul yang membuat oksigen yang kita hirup.
Meskipun klorofil adalah bagian yang paling terkenal, karena warna hijaunya yang mewarnai alam, sebetulnya cukup banyak senyawa yang bekerja bersama dalam proses fotosintesis. Dan ahli kimia Georgia Tech merancang eksperimen cerdas untuk memeriksa pemain-pemain yang terlibat dalam pelepasan O2 dari air yang dikenal sebagai fotosistem II (PSII).
PSII adalah struktur protein kompleks yang ditemukan pada tumbuhan dan alga. Mereka memiliki mitra yang disebut fotosistem I, sebuah produsen oksigen dan biomaterial yang bertenaga cahaya yang sama kompleksnya.
Beberapa pertanyaan dan penjelasan di bawah ini akan membantu menjelaskan temuan para peneliti tentang katalis logam kecil dan asam amino di dalam PSII yang bekerja sama erat menghasilkan O2.
"Fotosintesis pada tumbuhan dan ganggang dapat dibandingkan dengan sel surya buatan," kata peneliti utama Bridgette Barry, yang merupakan profesor di Sekolah Kimia dan Biokimia Georgia Tech. "Tapi, dalam fotosintesis, energi cahaya menjadi bahan bakar untuk memproduksi makanan (karbohidrat) bukan pengisian baterai. O2 dilepaskan dari air sebagai produk sampingan."
Barry, Zhanjun Guo, dan Jiayuan He memublikasikan penelitian mereka dalam jurnal Proceedings of National Academy of Sciences yang didanai National Science Foundation.
Bagaimana fotosintesis II melepaskan oksigen dari air?
Banyak detil yang masih belum diketahui, tetapi di sini ada beberapa cara kerja dasar.
PSII adalah kompleks biokimia yang sebagian besar terbuat dari silinder kotrek asam amino besar dan beberapa silinder yang lebih kecil dirangkai bersama dengan untai asam amino. Siklus reaksi yang mengekstraksi O2 dari H2O terjadi di titik kecil, yang menjadi fokus penelitian.
Untuk skalanya, jika PSII dianggap sebagai gedung yang cukup tinggi, sangat lebar, titik itu mungkin seukuran pintu besar di sekitar tengah bawah bangunan, dan gugusan logam akan ditempatkan di sana. Jalinan dalam protein akan memperluas molekul yang meliputi beta-karoten dan klorofil, sebuah semikonduktor fotolistrik alami yang hebat.
"Foton dari sinar matahari membombardir fotosistem II dan memindahkan elektron dalam klorofil," kata Barry. "Itu membuat pemindahan muatan negatif."
Apa katalis logam itu?
Katalis logam bertindak seperti kapasitor, membangun muatan yang digunakan untuk mempercepat empat reaksi kimia yang melepaskan O2 dengan menghapus empat elektron, satu demi satu, dari dua molekul air. Dalam prosesnya, air juga memutar empat ion H+, yaitu proton, dari dua molekul H2O.
Suatu senyawa yang sangat reaktif tambahan bertindak sebagai "saklar" untuk menggerakkan pergerakan elektron di setiap langkah dari siklus reaksi.
Apa 'saklar' itu, dan apa fungsinya?
Di sinilah penjelasan penelitian ini baru masuk.
Dekat gugus logam ada asam amino umum yang disebut tirosin, sebuah blok bangunan kecil pada bangunan protein besar. Reaksi cahaya menghilangkan satu elektron dari tirosin, menjadikannya sebuah radikal yang tidak stabil, dan versi radikal tirosin menarik kuat elektron baru.
Tirosin sangat cepat mendapatkan elektron baru dari gugus logam. Saat PSII menyerap foton, pengambilan elektron dari tirosin dan perebutan radikal yang baru dari gugusan berlangsung berulang dengan cepat, membuat tirosine menjadi semacam saklar kelap-kelip.
"Radikal tirosin mendorong siklus sekitar, dan apa yang mereka (Guo dan He) lakukan di laboratorium adalah mengembangkan cara melihat reaksi radikal di hadapan gugus logam," kata Barry.
Guo dan He juga menemukan bahwa atom kalsium dalam gugusan ini memiliki interaksi penting dengan tirosin.
Bagaimana mereka mengamati komponen kimia tunggal itu dalam sistem kehidupan?
Mencari tahu bagaimana membuat reaksi tersebut dapat diamati membutuhkan ketelatenan. Para peneliti mengisolasi beberapa PSII dari bayam, dan mereka memperlambatnya dengan mendinginkannya dalam ruang gelap.
Kemudian mereka memberikannya semburan cahaya merah untuk menyiapkan satu langkah dalam siklus reaksi, kemudian disinari lampu hijau untuk mengambil elektron dari tirosin. Kemudian elektron secara perlahan kembali ke tirosin.
Para peneliti mengamati proses melalui spektroskopi vibrasi, yang memperlihatkan kualitas ikatan kimia tirosin. Para peneliti juga meneliti kalsium dan menemukan interaksi khusus antara zat itu dengan tirosin.
"Hal baru yang kami lihat adalah bahwa ion kalsium membuat tirosin berputar dengan cara tertentu," kata Barry. "Ternyata tirosin itu mungkin merupakan saklar yang sangat fleksibel."
Para peneliti juga menukar kalsium dengan logam lain dan menemukan bahwa kalsium memenuhi peran ini dengan cukup optimal.
Jadi, mengapa pemahaman fotosintesis itu penting?
"Fotosintesis oksigen sebenarnya adalah pengisi bahan bakar kehidupan yang hebat di planet kita," kata Barry.
Sekitar dua miliar tahun yang lalu, fotosintesis yang menghasilkan O2 meledak, dan ketika oksigen yang bisa kita gunakan bernapas mengisi samudra dan atmosfer Bumi, kehidupan mulai berkembang menjadi varietas kompleks yang saat ini kita miliki. Selain itu, ada juga alasan pragmatis untuk mempelajari fotosintesis.
"Anda bisa memanfaatkannya untuk membuat tanaman lebih produktif," kata Barry. "Kita mungkin suatu hari nanti juga harus memperbaiki dan menyesuaikan proses fotosintesis ini."
Stres pada lingkungan bisa saja melemahkan fotosintesis di masa depan, yang menjadi seruan untuk melakukan penyesuaian biokimia. Selain itu, fotosintesis alami adalah model yang sangat baik bagi semikonduktor fotolistrik seperti yang digunakan dalam sistem energi terkini.
Science Daily
Meskipun klorofil adalah bagian yang paling terkenal, karena warna hijaunya yang mewarnai alam, sebetulnya cukup banyak senyawa yang bekerja bersama dalam proses fotosintesis. Dan ahli kimia Georgia Tech merancang eksperimen cerdas untuk memeriksa pemain-pemain yang terlibat dalam pelepasan O2 dari air yang dikenal sebagai fotosistem II (PSII).
PSII adalah struktur protein kompleks yang ditemukan pada tumbuhan dan alga. Mereka memiliki mitra yang disebut fotosistem I, sebuah produsen oksigen dan biomaterial yang bertenaga cahaya yang sama kompleksnya.
Beberapa pertanyaan dan penjelasan di bawah ini akan membantu menjelaskan temuan para peneliti tentang katalis logam kecil dan asam amino di dalam PSII yang bekerja sama erat menghasilkan O2.
"Fotosintesis pada tumbuhan dan ganggang dapat dibandingkan dengan sel surya buatan," kata peneliti utama Bridgette Barry, yang merupakan profesor di Sekolah Kimia dan Biokimia Georgia Tech. "Tapi, dalam fotosintesis, energi cahaya menjadi bahan bakar untuk memproduksi makanan (karbohidrat) bukan pengisian baterai. O2 dilepaskan dari air sebagai produk sampingan."
Barry, Zhanjun Guo, dan Jiayuan He memublikasikan penelitian mereka dalam jurnal Proceedings of National Academy of Sciences yang didanai National Science Foundation.
Bagaimana fotosintesis II melepaskan oksigen dari air?
Banyak detil yang masih belum diketahui, tetapi di sini ada beberapa cara kerja dasar.
PSII adalah kompleks biokimia yang sebagian besar terbuat dari silinder kotrek asam amino besar dan beberapa silinder yang lebih kecil dirangkai bersama dengan untai asam amino. Siklus reaksi yang mengekstraksi O2 dari H2O terjadi di titik kecil, yang menjadi fokus penelitian.
Untuk skalanya, jika PSII dianggap sebagai gedung yang cukup tinggi, sangat lebar, titik itu mungkin seukuran pintu besar di sekitar tengah bawah bangunan, dan gugusan logam akan ditempatkan di sana. Jalinan dalam protein akan memperluas molekul yang meliputi beta-karoten dan klorofil, sebuah semikonduktor fotolistrik alami yang hebat.
"Foton dari sinar matahari membombardir fotosistem II dan memindahkan elektron dalam klorofil," kata Barry. "Itu membuat pemindahan muatan negatif."
Apa katalis logam itu?
Katalis logam bertindak seperti kapasitor, membangun muatan yang digunakan untuk mempercepat empat reaksi kimia yang melepaskan O2 dengan menghapus empat elektron, satu demi satu, dari dua molekul air. Dalam prosesnya, air juga memutar empat ion H+, yaitu proton, dari dua molekul H2O.
Suatu senyawa yang sangat reaktif tambahan bertindak sebagai "saklar" untuk menggerakkan pergerakan elektron di setiap langkah dari siklus reaksi.
Apa 'saklar' itu, dan apa fungsinya?
Di sinilah penjelasan penelitian ini baru masuk.
Dekat gugus logam ada asam amino umum yang disebut tirosin, sebuah blok bangunan kecil pada bangunan protein besar. Reaksi cahaya menghilangkan satu elektron dari tirosin, menjadikannya sebuah radikal yang tidak stabil, dan versi radikal tirosin menarik kuat elektron baru.
Tirosin sangat cepat mendapatkan elektron baru dari gugus logam. Saat PSII menyerap foton, pengambilan elektron dari tirosin dan perebutan radikal yang baru dari gugusan berlangsung berulang dengan cepat, membuat tirosine menjadi semacam saklar kelap-kelip.
"Radikal tirosin mendorong siklus sekitar, dan apa yang mereka (Guo dan He) lakukan di laboratorium adalah mengembangkan cara melihat reaksi radikal di hadapan gugus logam," kata Barry.
Guo dan He juga menemukan bahwa atom kalsium dalam gugusan ini memiliki interaksi penting dengan tirosin.
Bagaimana mereka mengamati komponen kimia tunggal itu dalam sistem kehidupan?
Mencari tahu bagaimana membuat reaksi tersebut dapat diamati membutuhkan ketelatenan. Para peneliti mengisolasi beberapa PSII dari bayam, dan mereka memperlambatnya dengan mendinginkannya dalam ruang gelap.
Kemudian mereka memberikannya semburan cahaya merah untuk menyiapkan satu langkah dalam siklus reaksi, kemudian disinari lampu hijau untuk mengambil elektron dari tirosin. Kemudian elektron secara perlahan kembali ke tirosin.
Para peneliti mengamati proses melalui spektroskopi vibrasi, yang memperlihatkan kualitas ikatan kimia tirosin. Para peneliti juga meneliti kalsium dan menemukan interaksi khusus antara zat itu dengan tirosin.
"Hal baru yang kami lihat adalah bahwa ion kalsium membuat tirosin berputar dengan cara tertentu," kata Barry. "Ternyata tirosin itu mungkin merupakan saklar yang sangat fleksibel."
Para peneliti juga menukar kalsium dengan logam lain dan menemukan bahwa kalsium memenuhi peran ini dengan cukup optimal.
Jadi, mengapa pemahaman fotosintesis itu penting?
"Fotosintesis oksigen sebenarnya adalah pengisi bahan bakar kehidupan yang hebat di planet kita," kata Barry.
Sekitar dua miliar tahun yang lalu, fotosintesis yang menghasilkan O2 meledak, dan ketika oksigen yang bisa kita gunakan bernapas mengisi samudra dan atmosfer Bumi, kehidupan mulai berkembang menjadi varietas kompleks yang saat ini kita miliki. Selain itu, ada juga alasan pragmatis untuk mempelajari fotosintesis.
"Anda bisa memanfaatkannya untuk membuat tanaman lebih produktif," kata Barry. "Kita mungkin suatu hari nanti juga harus memperbaiki dan menyesuaikan proses fotosintesis ini."
Stres pada lingkungan bisa saja melemahkan fotosintesis di masa depan, yang menjadi seruan untuk melakukan penyesuaian biokimia. Selain itu, fotosintesis alami adalah model yang sangat baik bagi semikonduktor fotolistrik seperti yang digunakan dalam sistem energi terkini.
Science Daily
Comments
Post a Comment