BAB I
PENDAHULUAN
Istilah metabolisme, berasal dari bahasa Yunani, berarti perubahan atau transformasi. Metabolisme juga merupakan proses-proses kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup/sel. Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim.
Nitrogen adalah senyawa yang tersebar luas di biosfir. Atmosfer bumi mengandung sekitar 78% gas nitrogen. Nitrogen adalah komponen penting bagi tumbuhan terdapat dalam banyak senyawa. Protein dan asam nukledit yang biasanya diserap dari tanah dalam bentuk sangat teroksidasi dan harus direduksi oleh proses yang bergantung pada energi sebelum bergabung menjadi protein dan senyawa lain dalam sel.
Nitrogen di alam berada dalam berbagai bentuk dan berada dalam keadaan dinamis mengikuti perubahan fisik dan kimia dalam suatu daur Nitrogen. Meskipun nitrogen di udara mampu masuk keluar tubuh tumbuhan, tetapi tidak ada enzim yang mampu menangkapnya. Kebanyakan Nitrogen yang masuk tubuh tumbuhan telah mengalami reduksi oleh mikroba prokaryotic atau dalam bentuk NO3- dan NH4+ dalam air hujan. Penambatan nitrogen dapat dilakukan secara simbiotik atau non simbiotik antara tumbuhan tingkat tinggi dan mikroba. Tumbuhan tinggi dapat menggunakan Nitrogen yang telah tereduksi tersebut. Bagi tumbuhan lain yang tidak bersimbiosis dengan nitrogen , nitrogen diserap dalam bentuk NO3- atau NH4+. Umumnya dalam bentuk NO3- karena NH4+ akan dioksidasi menjadi NO3- oleh bakteri nitrifikasi.
Konsep metabolisme yang akan dibahas dalam makalah ini difokuskan pada metabolisme Nitrogen. Reduksi nitrat menjadi ammonium dan perubahan ammonium menjadi senyawa organic yang terdapat pada tumbuhan.
BAB II
PEMBAHASAN
SIKLUS NITROGEN (N2)
Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu sekitar 78% dari udara. Nitrogen bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.
Sebagian besar nitrogen yang terdapat di dalam organisme hidup berasal dari penambatan (reduksi) oleh mikro organisme prokariot. Sebagian diantaranya terdapat di akar tumbuhan tertentu atau dari pupuk hasil penambatan secara industry. Sejumlah kecil nitrogen pindah dari atmosfer ke tanah sebagai NH4+ dan NO3- bersama air hujan dan diserap oleh akar. NH4+ ini berasala dari pembakaran industry, aktivitas gunung berapi dan kebakaran hutan sedangkan NO3- berasal dari oksidasi N2 oleh O2 atau ozon dengan bantuan kilat atau radiasi ultraviolet, sumber lain NO3- adalah samudera.
Penyerapan NO3- dan NH4+ oleh tumbuhan memungkinkan tumbuhan untuk membentuk berbagai senyawa nitrogen terutama protein. Pupuk, tumbuhan mati, mikroorganisme, serta hewan merupakan sumber penting nitrogen yang dikembalikan ke tanah tapi sebagaian besar nitrogen tersebut tidak larut dan tidak segera tersedia bagi tumbuhan.
Pengubahan nitrogen organic menjadi NH4+ oleh bakteri dan fungi tanah disebut Amnoifikasi yang dapat berlangsung oleh berbagai macam mikroorganisme pada suhu dingin dan pada berbagai nilai ph. Selanjutnya pada tanah yang hangat dan lembab dan ph sekitar netral NH4+ akan dioksidasi menjadi nitrit (NO2) dan NO3- dalam beberapa hari setelah pembentukkannya atau penambahannya sebagai pupuk disebut dengan Nitrifikasi yang berguna dalam menyediakan energi bagi kelangsungan hidup dan perkembangan mikroba tersebut.
Selain itu terdapat pula denitrifikasi yaitu suatu proses pembentukan N2, NO, N2O dan NO2 dari NO3- oleh bakteri aneorobik yang berlangsung di dalam tanah yang penetrasi O2- nya terbatas, tergenang, padat dan daerah dekat pemukiman tanah yang konsentrasi O2 nya rendah karena penggunaannya yang cepat dalam oksidasi bahan organik. Tumbuhan kehilangan sejumlah kecil nitrogen ke atmosfer sebagai NH3, N2O, NO2, dan NO terutama jika diberi pupuk nitrogen dengan baik.
Gambar Siklus Nitrogen di Alam
PENAMBATAN NITROGEN
Proses reduksi N2 menjadi NH4 dinamakan penambatan nitrogen. Proses ini dilakukan oleh mikroorganisme prokariotik, penambatan nitrogen ini melibatkan bakteri tanah yang hidup bebas, sianobakteri (ganggang hijau-biru) yang hidup dipermukaan tanah atau di dalam air, sianobakteri yang hidup bersimbiosis dengan fungi, lumut, pakis dan bakteri yang berasosiasi secara simbiotik dengan akar, khususnya pada tumbuhan kacangan.
Pada tumbuhan kacangan ini, bakteri yang berperan adalah Rhizobium, Bradyrhizobium, dan Azhorhizobium. Semua Rhizobium adalah bakteri aerob yang bertahan secara saprofit di dalam tanah sampai mereka menginfeksi bulu akar. Infeksi bakteri ini menyebabkan apa yang kita sebut bintil akar.
Tahapan pembentukan bintil akar tersebut sebagai berikut, :
1. Bakteri menginfeksi bulu akar.
2. Enzim dari bakteri merombak dinding sel sehingga bakteri dapat masuk ke
3. Bulu akar membentuk struktur lir- benang yang di sebut benang infeksi , yang terdiri
dari membran plasmalurus dan memenjang dari sel yang terserang.
4. Bakteri membelah dengan cepat di dalam benang yang menjalar , masuk dan
menembus sel korteks .
5. Pada sel korteks sebelah dalam, bakteri dilepas ke sitoplasma dan merangsang sel
(khususnya sel tetraploid) untuk membelah, yang menyebabkan proliferasi jaringan
membentuk bintil akar dewasa.
Setiap bakteri yang membesar dan tidak bergerak disebut bakteroid. Bakteroid biasanya berada di sitoplasma secara berkelompok dan masing-masing dikeliingi oleh membran peribakteroid. Antara membran bakteroid dan kelompok bakteroid terdapat daerah yang disebut ruang peribakteroid.
Di luar ruang peribakteroid, di sitoplasma terdapat protein yang dinamakan leghemoglobin, yang menyebabkan bintil kacangan warnanya merah muda. Dan diperkirakan leghemoglobin mengangkut O2 untuk bakteri.
Penambatan Nitrogen di bintil akar terjadi secara langsung di dalam bakteroid. Tumbuhan inang menyediakan karbohidrat bagi bakteroid, yang akan dioksidasi sehingga diperoleh energi. Beberapa elektron dan ATP yang diperoleh selama oksidasi di bakteroid digunakan untuk mereduksi N2 menjadi NH4
Reaksi penambatan nitrogen secara keseluruhan adalah sebagai berikut, :
N2+ 8 elektron + 16 Mg ATP +16 H2O→2NH3 + H2 + 16Mg ATP + 16 Pi + 8H+
Enzim yang diperlukan adalah enzim nitrogenase.
Tahapannya adalah sebagai berikut, :
Respirasi karbohidrad pada bakteroid menyebabkan reduksi NAD menjadi NADH atau NADP menjadi NADPH. Oksidasi piruvat selama respirasi menyebabkan reduksi flavodoksin.
2. Kemudian Flavoduksin, NADH atau NADPH mereduksi feredoksin.
Nitrogenase menerima elektron dari flavodoksin tereduksi, feredoksin atau bahan pereduksi efektif lainnya saat mengkatalisis penambatan N2. Netrogenase terdiri dari dua protein yang berlainan, yaitu protein Fe dan Protein Fe-Mo. Protein Fe mengandung 4 atom besi sementara protein Fe-Mo mempunyai atom molibdenum dan 28 atom besi.
Baik molebdenun ataupun besi menjadi tereduksi, kemudian dioksidasi saat nitrogenase menerima elektron dari feredoksin dan mengangkutnya ke N2 untuk membentuk NH4. NH4 diangkut keluar dari bakteroid dan digunakan oleh tumbuhan inang. Di sitosol, yang mengandung bakteroid (bagian luar membran peribakteroid) NH4 diubah menjadi glutamin, asam glutamat, asparagin, dan ureida (alantoin dan asam alantoat).
Faktor-faktor yang dapat meningkatkan penambatan nitrogen antara lain :
a. Faktor Lingkungan
Mencakup kelembaban yang cukup, suhu hangat, sinar matahari yang terang, konsentrasi CO2 yang tinggi.
b. Faktor Genetik
Mencakup proses pengenalan yang dikendalikan secara genetis antara spesies bakteri dan spesies atau varietasi tumbuhan kacangan dan kemampuan nitrogenase dari semua organisme untuk mereduksi H+ dan persaingan dengan N2 serta tahap pertumbuhan
Pada dasarnya jumlah terbesar yang ditambah oleh tumbuhan asli tahunan dan tumbuhan kacangan pada pertumbuhan adalah saat perkembangan reproduksi.
REDUKSI NITRAT MENJADI AMMONIUM
Reaksi kedua dari proses reduksi nitrat adalah pengubahan nitrit menjadi NH4. Nitrit yang ada di sitosol diangkut ke dalam kloroplas di daun atau ke dalam proplastid di akar.
Tahapan reduksi nitrit menjadi ammonium adalah sebagai berikut, :
· Di daun, reduksi NO2 menjadi NH4 memerlukan enam elektron yang diambil dari H2O pada sistem pengangkutan elektron non siklik, pada kloroplas selama pengangkutan elektron ini, cahaya mendorong pengangkutan elektron dari H2O ke ferodksin (Fd).
Reaksinya adalah sebagai berikut :
3 H2O + 6Fd + cahaya ------------ 15 O2 + 6H + 6Fd
· Kemudian ferodoksin tereduksi memberikan 6 elektron yang digunakan untuk mereduksi NO2 menjadi NH4,
reaksinya sebagai berikut, :
NO2 + 6Fd (Fe ) + 8H --------- NH4 + 6Fd (Fe ) + H2O
Sehingga keseluruhan proses reduksi nitrit menjadi amonia adalah sebagai berikut:
NO2 + 3H2O + 2H + cahaya ------- NH4 + 1,5 O2 + 2H2O
PERUBAHAN AMMONIUM MENJADI SENYAWA ORGANIK
Ketersediaan NH4 yang berasal dari :
· Penyerapan langsung dari tanah
· Penambatan fiksasi N2 oleh mikroorganisme
· Reduksi
Amonium tidak pernah ditemukan tertimbun di suatu tempat tertentu dalam tubuh tumbuhan karena bersifat racun. Amonium dapat menghambat pembentukan ATP di kloroplas maupun mitokondria karena bertindak sebagai pemecah senyawa reaksi. Tahapan pengubahan amonium menjadi bahan organik adalah sebagai berikut, :
v Semua NH4 diubah menjadi gugus amida dari glutamin. Pengubahan ini akan membentuk asam glutamat, asam aspartat, dan asparagin. Glutamin dibentuk dengan penambahan satu gugus NH2 dan NH4 ke gugus karboksil terjauh dari karbon alfa asam glutamat. Enzim yang diperlukan adalah glutamin sintase. Hidrolisis ATP menjadi ADP dan Pi yang sangat penting mendorong reaksi lebih lanjut (reaksi 1)
v Enzim glutamat sintase mengangkut gugus amida dari glutamin ke karbon karboksil asam alfa ketoglutamat, sehingga terbentuk dua molekul asam glutamat. Proses ini membutuhkan feredoksin yang mampu menyumbang 2 elektron yaitu feredoksin di kloroplas dan NADH atau NADPH di proplastid sel-sel non fotosintesis (reaksi 2).
v Satu asam glutamat yang dihasilkan diperlukan untuk mempertahankan reaksi (1), glutamat yang lain dapat diubah secara langsung menjadi protein, klorofil, asam nukleat dan sebagainya.
v Selain membentuk glutamat, glutamin dapat menyumbangkan gugus amidanya ke asam aspartat untuk membentuk asparagin. Reaksi ini membutuhkan enzim asparagin sintase. Energi untuk mendorong reaksi diperoleh dari hidrolisis ATP menjadi AMP dan PPi (reaksi 4).
v Nitrogen dalam aspartat dapat berasal dari glutamat, dan 4 karbonnya mungkin berasal dari axsam oksaloasetat. Oksaloasetat dibentuk dari PEP-karboksilase.
Glutamin menjadi bentuk penyimpan nitrogen utama pada banyak tumbuhan. Glutamin banyak terdapat pada organ-organ penyimpan seperti umbi kentang, akar bit, gula, wortel dan lobak. Sementara aspartat banyak terdapat pada tanaman kacang-kacangan.
Pada daun dewasa, glutamin sering dibentuk dari asam glutamat dan NH4 yang dihasilkan ketika perombakan protein mulai meningkat. Glutamin kemudian diangkut melalui floem ke daun yang lebih muda atau ke akar, bunga, biji, atau buah. Akhirnya glutamin dapat bergabung langsung ke protein pada semua sel dalam bentuk salah satu dari asam amino.
BAB III
PENUTUP
KESIMPULAN
1. Nitrogen merupakan komponen penting pada protein dan asam nukleat yang biasanya diserap dari tanah dalam bentuk sangat teroksidasi dan harus reduksi oleh proses yang bergantung pada energi, sebelum bergantung menjadi protein dan senyawa lain dalam sel.
2. Nitrogen merupakan salah satu unsure makro esensial yang dibutuhkan oleh tanaman. Tanaman menggunakan nitrogen dalam proses pembentukan DNA, RNA, maupun protein sebagai pembangun jaringan tubuh tumbuhan. Nitrogen dapat diserap tanaman dalam bentuk nitrat dan ammonium. Amonium adalah salah satu bentuk senyawa nitrogen yang tidak dapat diakumulasikan dalam jaringan tumbuhan dalam jangka waktu yang lama Senyawa ini dapat menghambat produksi ATP. Gejala defisiensi nitrogen adalah tanaman tumbuh kerdil dan daunnya menjadi kekuningan (klorosis).
3. Proses pereduksian nitrat menjadi ammonium dapat terjadi dalam dua reaksi yang berbeda yaitu yang dikatalis oleh nitrat reduktase dan pengubahan nitrit menjadi NH4+ yang dikatalis oleh nitrit reduktase.
4. Proses pengubahan ammonium menjadi senyawa organik terbagi atas 5 reaksi antara lain glutamine sintetase, glutamat sintase, asparagin sintetase, transaminase, PEP karboksilase.
DAFTAR PUSTAKA
Champbell, Reece – Mitchell. 1999. Biologi Edisi Kelima (Terjemahan).
Penerbit Erlangga. Jakarta.
Dwidjoseputro, D.1998. Pengantar Fisiologi. Tumbuhan. Penerbit. Pt. Gramedia.
Jakarta.
http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Biologi/0032%20Bio%201-7c.htm
Sasmitamihardja, Dardjat. 1996. Fisiologi Tumbuhan. Proyek Pendidikan
Tenaga Akademik, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen
Pendidikan dan kebudayaan.
