METABOLISME NITROGEN

Disusun untuk memenuhi tugasMATA KULIAH FISIOLOGI TUMBUHAN

yang dibina oleh: Prof. Dra. Herawati Susilo, M.Sc, Ph.D, dan Dr. Endang Kartini, M.S., Apt.

Oleh: INDRIATY

NIM. 106661551637

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGIPROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS NEGERI MALANGApril 2007

BAB I

PENDAHULUAN

Nitrogen merupakan unsur yang penting dalam kehidupan tumbuhan. Selain

itu, unsur yang sama pentingnya adalah karbon, hidrogen, dan oksigen sebagai

penyusun protein, asam nukleat, hormon-hormon pertumbuhan, vitamin dan lain-lain.

Nitrogen di dalam tumbuhan berada dalam bentuk asam amino, protein, amida,

klorofil, alkaloid, dan basa nitrogen. Daun terdiri dari 1-15 % nitrogen dari berat

keringnya, tetapi persentase nitrogen lebih sedikit kehadirannya dalam organ vegetatif

lainnya (Pandey dan Sinha 1990).

Meski dimasukkan ke dalam salah satu nutrisi elemen esensial, nitrogen bukan

termasuk dalam mineral. Nitrogen terdapat di atmosfer bumi kurang lebih 80%

sedangkan di tanah hanya mengandung sedikit nitrogen. Namun, tumbuhan tidak

dapat mengambil nitrogen secara langsung dari atmosfer dan tumbuhan bergantung

pada suplai nitrogen di tanah untuk pertumbuhannya. Hanya sedikit organisme yang

mampu mengambil nitrogen secara tidak langsung dari atmosfer.

Bentuk-bentuk nitrogen yang dimanfaatkan oleh tumbuhan ialah:

(i) Molekul nitrogen yang tersedia hanya untuk beberapa organisme hidup.

(ii) Nitrat (NO3−) yang telah diubah ke dalam amonia sebelum masuk ke dalam

metabolisme.

(iii) Komponen amonium (NH4+)., dimana ion amonium di absorbsi secara

langsung oleh akar tanaman bersama ion nitrat dan,

(iv) Nitrogen organik yang hadir ditanah berbentuk protein yang dirombak, dan

dapat diserap oleh tanaman sebagai asam amino, amonia (NH3) atau nitrat

secara langsung.

Nitrogen merupakan unsur yang penting penyusun tumbuhan. Kebutuhan

nitrogen oleh tumbuhan dapat diperoleh dari tanah dalam bentuk tersedia bagi

tanaman. Dalam perolehannya, nitrogen mengalami siklus dan perubahan bentuk.

Siklus nitrogen ini dapat kita telaah lebih lanjut dalam makalah ini.

Tujuan penulusan ini ialah untuk mengetahui metabolisme nitrogen yang tercakup

di dalam siklus nitrogen.

1

BAB II

PEMBAHASAN

Metabolisme merupakan salah satu aspek paling penting bagi kehidupan

tanaman dan juga hewan. Metabolisme nitrogen dapat didefinisikan sebagai

serangkaian dari proses biokimia yang mengambil tempat di dalam atau di luar tubuh

tanaman berupa pembentukan kompleks nitrogen dari molekul-molekul sederhana dan

perombakan kompleks nitrogen menjadi molekul-molekul sederhana pembentuknya

(Pandey dan Sinha 1990). Berdasarkan pengertian ini metabolisme nitrogen termasuk

di dalamnya anabolisme yaitu pembentukan, dan katabolisme yaitu proses

perombakan. Proses anabolisme yang penting termasuk di dalamnya ialah fiksasi

nitrogen, sintesis asam amino, dan sintesis protein, dan proses katabolisme termasuk

di dalamnya proteolisis, perombakan asam amino, denitrifikasi, dan nitrifikasi

(Pandey dan Sinha 1990). Proses metabolisme anabolisme dan katabolisme nitrogen

terjadi di alam untuk mensuplai nitrogen tanaman dan nitrogen makhluk hidup lain.

Nitrogen di atmosfer terjaga hampir selalu konstan yaitu 75-80%. Serangkaian reaksi

metabolisme nitrogen dari atmosfer dan kembali lagi ke atmosfer dinamakan siklus

nitrogen. Siklus utama nitrogen meliputi fiksasi, ammonifikasi, nitrifikasi, dan

denitrifikasi.

Nitrogen di alam sebagian besar berupa senyawa organik hasil pembusukan

organisme (tumbuhan, hewan, dan lain-lain), sedangkan lainnya berasal dari pelarutan

batuan, air hujan, (dalam bentuk nitrat dan amonia) serta dari aktivitas gunung merapi

(Gambar 1) . Siklus nitogen dapat dilihat dari gambar di bawah ini:

2

SIKLUS UTAMA NITROGEN

1. Fiksasi Nitrogen

Fiksasi nitrogen merupakan suatu proses perubahan dari nitrogen bebas

menjadi garam-garam nitrogen yang tersedia untuk absorbsi oleh tanaman. Fiksasi

nitrogen terbagi atas fiksasi nitrogen secara fisika, dan fiksasi nitrogen secara

biologi. Fiksasi nitrogen secara biologi lebih umum terjadi di alam.

a. Fiksasi nitrogen secara fisika.

Fiksasi nitrogen secara fisika dapat terjadi dalam beberapa tahapan dengan

melibatkan nitrogen yang terdapat di atmosfer dan oksigen di bawah pengaruh

lecutan elektrik dan petir untuk memproduksi oksida nitrit.

N2 + O2 2NO

Oksida nitrit (2NO) kemudian dioksidasi menjadi nitrogen peroksida

2NO + O2 2NO2

Selama hujan nitrogen peroksida (NO2) bersama air hujan membentuk

asam nitrit (HNO2) dan asam nitrat (HNO3) yang turun bersama dengan hujan.

2NO2 + air hujan HNO2 + HNO3

Di tanah, radikal alkali di tanah bereaksi dengan HNO3 untuk meghasilkan

nitrit dan nitrat larut dalam air yang dapat diabsorbsi tanaman melalui akar.

Garam Ca atau K + HNO3 Ca-nitrat dan K-nitrat

b. Fiksasi nitrogen secara biologi

Beberapa agen biologi yang berperan dalam fiksasi nitrogen ialah bakteri

simbiotik dan non simbiotik seperti bakteri, khamir, Actinomycetes, dan alga hijau

biru (Pandey dan Sinha 1990). Menurut sastramihadja (1990) mikroorganisme yang

mampu mengubah molekul nitrogen sehingga mampu untuk digunakan oleh

tumbuhan dibagi beberapa tipe antara lain:

3

Lecutan listrik dan petir

Oksidasi

Di tanah

Mikroorganisme yang hidup dalam akar tumbuhan tertentu dan

membentuk bintil akar. Misalnya akar polong-polongan (leguminosae) dengan

Rhizobium sebagai simbionnya. Akar bukan polong-polongan seperti Alnus, Myrica,

dan lain-lain sebagai simbionnya adalah Actinomycetes. Fiksasi nitrogen biasanya

membawa keuntungan pada kedua belah pihak. Tanaman yang terinfeksi oleh bakteri

pada masa benih tumbuh dengan bintil-bintil pada akarnya yang mana mempengaruhi

persediaan ion besi yang berpigmen warna merah yang dinamakan hemoglobin (Hb)

yang membantu mengoptimalkan kondisi fiksasi nitrogen.

N2+ 6H 2NH3

Semua Rhizobium adalah bakteri aerobik yang bertahan secara saprofit di

dalam tanah sampai mereka menginfeksi bulu akar atau kadang sel epidermis yang

rusak. Bulu akar yang biasanya tanggap terhadap invasi tersebut pertama-tama

mengeriting dan mengelilingi bakteri (pengeritingan disebabkan oleh molekul tak

dikenal yang dilepaskan oleh bakteri). Selanjutnya enzim dari bakteri merombak

bagian dari dinding sel sehingga bakteri masuk dalam bulu-bulu akar. Bakteri

membelah dengan cepat lalu masuk ke dalam korteks. Di sel korteks sebelah dalam

bakteri dilepas ke sitoplasma dan menyebabkan beberapa sel tetrapoid membelah.

Pembelahan menyebabkan proliferasi jaringan, membentuk bintil akar dewasa. Sel

bintil akar mengandung beberapa ribu bakteroid (bakteri yang membesar dan tidak

bergerak). Penambatan nitrogen di bintil akar terjadi secara langsung di dalam

bakteroid. Tumbuhan inang menyediakan karbohidrat bagi bakteroid yang akan

dioksidasi sehingga memperoleh energi (Salisbury dan Ross 1995).

Bakteri tanah heterotrof tertentu yang hidup bebas, contohnya

Clostridium pasteuranum (aneorob) dan Azobacter (aerob)

Bakteri berfotosintesis, contohnya Rhodospirillum rubrum.

Beberapa ganggang hijau berfotosintesis, misalnya nostoc, Anabaena,

dan Oscillatoria. Ganggang tersebut memiliki kemampuan untuk mengolah nitrogen

di atmosfer.

Cendawan, Khamir yang diisolasi dari tanah yang memiliki jumlah

nitrogen yang sangat rendah. Mikoriza merupakan cendawan yang bersimbiosis

dengan akar tanaman yang mampu mengikat nitrogen bebas.

4

Mo

Hb

2. Amonifikasi

Amonifikasi merupakan pengubahan nitrogen organik menjadi ammonium

(NH4) oleh bakteri dan cendawan tanah (Salisbury dan Ross 1995). Menurut Pandey

dan Sinha (1990) amonifikasi ialah proses pembentukan amonium/ amonia dari

bahan-bahan organik melalui peristiwa dekomposisi dengan bantuan mikroorganisme

tanah. Organisme yang bertanggungjawab untuk melepaskan amonia adalah bakteri

saprofitik seperti Bacillus mycoides, B. ramosus, B. vulgaris yang disebut sebagai

bakteri amonifikasi.

3. Nitrifikasi

Proses oksidasi lebih lanjut Amonium (NH4+) atau amonia (NH3) menjadi

nitrit dan nitrat (salisbury dan Ross 1995). Amonia yang dihasilkan dirubah dalam

bentuk nitrat oleh aktivitas nitrifikasi sehingga dinamakan nitrifikasi.

Proses nitrifikasi diawali dengan pengoksidasian amonia menjadi nitrit oleh

Nitrosomonas dan Nitrosoccocus.

2 NH3 + 3 O2 2HNO2 +H2O

Nitrat kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri Nitrotobacter

2HNO2 + O2 2HNO3

Proses nitrifikasi dari amonium

NH4+ + 1½O2 Nitrosomonas dan Nitrosoccocus. NO2

−+ H2O + 2H+

NO2− + ½O2 NO3

−

Dalam proses ini bakteri juga mendapat keuntungan yakni bakteri dapat

menggunakan energi yang dilepaskan pada saat oksidasi dan digunakan untuk

kemosintesis. Pada temperatur tanah 30-35oC pada tanah alkalin, tanah gembur,

aktivitas bakteri ini terjadi secara maksimum.

4. Denitrifikasi

Denitrifikasi merupakan suatu proses reduksi nitrat menjadi bentuk N2, NO,

N2O, NO2, dan NO3- oleh bakteri anaerobik dimana molekul-molekul ini akan kembali

ke atmosfer. Bakteri tersebut menggunakan NO3- sebagai penerima elektron selama

respirasi, sehingga diperoleh energi bagi kelangsungan hidupnya. Bakteri yang

5

Nitrosomonas dan Nitrosoccocus.

Nitrotobacter

Nitrotobacter

berperan dalam proses reduksi nitrat ini ialah Pseudomonas denitrificans, P. Stutzeri,

Bacillus subtilis, Thiobacillus denitrificans, Micrococcus, Clostridium dan lain-lain.

Melalui kehadiran Sulfur dan air, bakteri Thiobacillus akan mengubah nitrat

menjadi sulfat dan nitrogen, terjadi pelepasan energi

6KNO3 + 5S + 2H2O K2SO4 + 4KHSO4 +3N2 + Energi

Spesies Clostridium mengubah hydroksilamine (NH2OH) menjadi amonia dan air

NH2OH + H2 NH3 + H2O

HNO2 + 3H2 NH3 + H2O

HNO3 + 4H2 NH3 + 3H2O

Di alam HNO3 diubah menjadi gugus amine ( R.NH2). Amine akan diubah ke

dalam NO2, NH2, yang akan melepaskan nitrogen bebas atau akan diubah ke dalam

N2O. N2O akan diubah kembali menjadi NO2, NH2. HNO2 yang diproduksi akan

diproses dan dirubah menjadi H2N2O2 melewati pembentukan HNO dan H2N2O2

dengan bantuan Bacillus dapat memproduksi N2O yang selanjutnya dirubah menjadi

nitrogen bebas oleh Pseudomonas. HNO dapat diubah menjadi nitrogen bebas dibantu

oleh Pseudomonas melewati pembentukan NH2OH. HNO juga dapat diubah menjadi

NH3 (Gambar 2).

Gambar 2. Proses denitrifikasi

6

Thiobacillus

Clostridium

Clostridium

Clostridium

5. Asimilasi Nitrogen

Bagi tumbuhan yang tidak dapat menambat N2, sumber utama nitrogennya

adalah NO3- dan NH4

+. Kebanyakan dari tanaman menyerap nitrogen dalam bentuk

NO- sebab NH4+ segera dioksidasi menjadi NO3

- oleh bakteri nitrifikasi. Tapi

komunitas konifer dan rumputan menyerap sebagian nitrogen dalam bentuk NH4+

sebab nitrifikasi dihambat oleh pH tanah yang rendah atau oleh tanin dan senyawa

fenol. Asimilasi nitrat merupakan perubahan nitrat menjadi amonium atau amonia.

Tahapan pengubahan ini melibatkan beberapa enzima sebagai katalisatornya. Tahapan

perubahannya dapat dikatakan sebagai proses reduksi nitrat, ditampilkan sebagai

berikut:

Nitrat Nitrit Hiponitrit Hydroksilamin Amonia

1. HNO3 + 2e- +2H+ HNO2 + H2O

2. HNO2 + 2e- +2H+ HNO + H2O

3. HNO + 2e- +2H+ NH2OH

4. NH2OH + 2e- +2H+ NH4 + H2O

NH2OH + 2e- +2H+ NH3 + H2O

Tahap reduksi nitrat dapat dijelaskan sebagai berikut

Enzima reduksi nitrat adalah suatu flavoprotein yang mengandung FAD

(Flavine Adenine Dinukleotida) sebagai gugus prostetik. Dalam akar tumbuhan

enzima nitrat reduktase bereaksi dengan NADH2/NADPH2, FAD dari enzima

diubah menjadi FADH2. Kemudian FADH2 dioksidasi dengan memindahkan

elektron ke ion molibdenum yang juga merupakan bagian penting dari enzima

nitrat reduktase, dan dari molibdenum elektron akhirnya diangkut ke nitrat. Hal ini

diperlihatkan dalam bagan sebagai berikut:

7

Nitrat reduktase

Nitrit reduktase

Hiponitrit reduktase

Hidroksilamin reduktase

Hidroksilamin reduktase

(Nitrat)

(Nitrit)

(Hiponitrit)

(Hidroksilamin)

(Hidroksilamin)

NADH2/NADPH FAD 2Mo+5 2H+ + NO3-

NAD/NADP FADH2 2Mo+6 NO2- + H2O

Melalui alasan inilah mengapa defisiensi Mo di tanah menyebabkan adanya

akumulasi nitrogen pada tanaman.

6. Pembentukan Senyawa Organik Nitrogen

Ion amonium dan amonia yang diserap oleh tumbuhan dari tanah tidak

tertimbun di suatu tempat tertentu di dalam tumbuhan. Amonium sangat beracun,

karena dapat menghambat pembentukan ATP di kloroplas maupun mitokondria

dengan bertindak sebagai bahan pencerai, selain itu hilang ke atmosfer dalam bentuk

NH3. Senyawa NH4 akan segera diubah menjadi senyawa-senyawa organik yaitu asam

amino, amida, dan karbamil fosfat. Untuk sintesis asam aminonya sendiri akan

mengikuti 2 cara yaitu reaksi aminasi reduksi, reaksi transaminasi, dan

transdeaminasi.

A. Pembentukan Asam Amino

Secara umum asam amino memiliki struktur:

Alanin, arginin, asparagin, asam aspartat, sistein, asam glutamat, glutamin,

glisine, histidin, isoleusin, leusin, lisin, metionin, penilalanin, prolin, serin, treonin,

triptophan, tirosin, dan valin merupakan 20 asam amino yang ditemukan pada

tanaman dan glisin merupakan asam amino yang paling sederhana dimana gugus

akilnya hanya terdiri dari atom H saja.

Pembentukan asam glutamat

Ion amonium digunakan untuk membentuk asam glutamat dari asam α ketoglutarat.

Reaksinya dapat terjadi bolak balik, dan secara fisiologis penting dalam respirasi

selama penguraian asam amino. Enzima yang berperan adalah asam glutamat

8

Reduksi

Oksidasi

Gugus amino

Gugus karboksil

Karbon

Rantai samping

-COO+H3N

CRH

dehidrogenase dan mengandung Zn yang berikatan erat untuk membentuk aktivitas

katalisisnya. Reaksi berlangsung di mitokondria, tempat terbentuknya NADH2 dan

asam α ketoglutarat.

Sintesis asam amino pada umumnya meliputi beberapa 3 cara di antaranya

yaitu reaksi aminasi reduksi dan reaksi transaminasi dan reaksi transdeaminasi:

Reaksi aminasi reduksi

Asam oksaloasetat + NH4+ + NADH2 Asam aspartat + NAD + H2O

Asam piruvat + NH4 + NADH2 Alanin + NAD + H2O

Termasuk juga di dalamnya reaksi asam α ketoglutarat menjadi glutamat. Asam

glutamat penting artinya dalam metabolisme tumbuhan.

Reaksi transaminasi

Asam glutamat memindahkan gugus asam aminonya langsung ke berbagai

asam α keto dalam reaksi transaminasi (glutamat bertindak sebagai donor gugus

amino). Contohnya, pemindahan gugus glutamat dan oksaloasetat menghasilkan asam

α ketoglutarat dan aspartat.

9

H2O

asam α ketoglutarat asam glutamat

As.aspartat dehirogenase

Alanin dehidrogenase

+

COOH

+

asam glutamat

asam oksaloasetat

asam α ketoglutarat

asam aspartat

Pada suatu rangkaian percobaan yang telah dilakukan menunjukkan bahwa

asam glutamat dapat memberikan gugus aminonya untuk pembentukan 17 asam

amino yang berbeda. Tipe transaminasi lainnya adalah glutamin/asparagin bertindak

sebagai donor gugus amino.

Glutamin + asam α ketoglutarat asam α ketoglutarat amida + asam α amino

asam α ketoglutarat amida + H2O asam α ketoglutarat + NH3

Reaksi transdeaminasi

Pemutusan atau pembebasan gugus amino dari asam amino disebut deaminasi.

Satu proses deaminasi oksidatif yang dikatalisis oleh enzima asam amino

dehidrogenase. Dari enzima asam amino dehidrogenase tersebut terpenting adalah

glutamat dehidrogenase, yang sangat aktif tersebar luas dalam jaringan tumbuhan.

Reaksi yang mula-mula terjadi adalah transaminasi kemudian diikuti deaminasi,

sehingga proses ini disebut juga transdeaminasi.

Asam amino asam α ketoglutarat NADH2

Asam α ketoglutarat asam glutamat NAD

Asam α ketoglutarat yang dihasilkan dari proses deaminasi asam amino

kemudian akan membentuk asam amino kembali, dipecah lebih lanjut menjadi CO2

dan H2O atau berubah menjadi karbohidrat atau asam lemak.

B. Pembentukan Amida (sintesis glutamin)

Asam glutamat berkombinasi dengan ion amonium/amonia membentuk

glutamin. Hal ini bergantung pada ATP, sehingga memerlukan ion magnesium atau

mangan. Enzima yang berperan adalah glutamin sintase.

10

Transaminase Vit.B6 fosfat

Glutamat dehidrogenase

NH3H2O

Transaminasi Deaminasi

C. Sintesis Karbamil fosfat

Glutamin adalah bentuk cadangan nitrogen dalam tumbuhan. Organ seperti

umbi kentang, bit gula, lobak, wortel mengandung banyak amida ini. Dalam daun tua

glutamin sering terbentuk pada aktu protein diuraikan dan ion amonium dilepaskan.

Pembentukan glutamin berfungsi untuk mencegah penimbunan ion-ion amonium ke

tingkat yang lebih toksik.

Amida lainnya yang terdapat dalam organ penyimpan ialah asparagin.

Asparagin dibentuk dari asam oksaloasetat dan ion amonium dengan bantuan

asparagin sintase.

11

+

Asam glutamat Glutamin

Asam aspartat Asparagin

C. Sintesis Karbamil Fosfat

Sintesis karbamil fosfat dibutuhkan untuk pembentukan asam nukleat karena

karbamil fosfat merupakan tahapan awal untuk pembentukan basa pirimidin. Asam

nukleat sendiri mengandung pirimidin, sitosin, urasil, dan timin. Karbamil fosfat juga

diperlukan untuk sintesis asam amino arginin. Reaksi pembentukannya sebagai

berikut:

BAB IIIKESIMPULAN

Siklus utama nitrogen meliputi beberapa proses yaitu fiksasi nitrogen,

amonifikasi, nitrifikasi, denitrifikasi, asimilasi nitrogen, dan pembentukan senyawa

Organik Nitrogen. Fiksasi nitrogen meliputi fiksasi nitrogen secara fisika, dan fiksasi

nitrogen secara biologi. Pembentukan Senyawa Organik Nitrogen meliputi

pembentukan asam amino, amida, dan karbamil fosfat. Sintesis asam amino pada

umumnya mengikuti reaksi aminasi reduksi, reaksi taransaminasi, dan reaksi

transdeaminasi.

DAFTAR PUSTAKA

Pandey S N, Sinha B K. Plant Physiologi 2nd Revised Edition. Kanpur: Vikas Publishing House.

Salisbury F B, Ross C W. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid 2. Diterjemahkan oleh Lukman D R dan Sumaryono. Bandung: Penerbit ITB.

Sasmitamihardja D, Siregar A H. 1990. Dasar-Dasar Fisiologi Tumbuhan. Bandung: penerbit ITB.

12

karbamil fosfat