Metabolisme Nitrogen 1

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Lintas biosintetik menuju asam amino dan nukleotida sama-sama memerlukan nitrogen, tetapi senyawa nitrogen yang dapat larut dan bermanfaat bagi aktivitas biologik biasanya jarang terdapat di lingkungan alamiah. Karena alasan ini, ammonia, asam amino, dan nukleotida dipergunakan secara ekonomis oleh kebanyakan organism, terutama karena senyawa-senyawa tersebut merupakan perkusor bagi asam nukleat dan proteinnya. Memang, kita telah melihat bahwa asam amino bebas, purin, dan pirimidin, yang dibentuk selama putaran metabolic, seringkali dihemat dan dipakai berulang-ulang. Bentuk nitrogen yang paling banyak dijumpai terdapat di udara, yang mengandung sampai empat per lima molekul nitrogen (N 2 ). Akan tetapi hanya beberapa spesies saja yang dapat mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk nitrogen yang bermanfaat bagi orgaisme hidup, yang karenanya, menghemat dan menggunakan kembali nitrogen yang tersedia secara biologik di dalam siklus nitrogen yang sedemikian luas. Tahap pertama dalam siklus nitrogen adalah dengan fiksasi nitrogen adalah fiksasi nitrogen atmosfer oleh organisme pengikat nitrogen, menghasilkan ammonia. Amonia dapat dimanfaatkan oleh hampir semua organisme hidup. Akan tetapi, terdapat beberapa bakteri tanah penting yang memperoleh energinya dengan mengoksidasi amonia untuk membentuk nitrit dan akhirnya nitrat. Karena organisme ini amat banyak dan aktif, hampir semua amonia yang mencapai tanah, akhirnya teroksidasi menjadi nitrat, proses ini dikenal sebagai nitrifikasi. Tanaman dan banyak bakteri segera mereduksi nitrat kembali menjadi ammonia melalui nitrat reduktase; proses ini dikenal sebagai denitrifikasi. Ammonia yang terbentuk dapat dibangaun menjadi asam amino oleh tanaman, yang kemudian dipergunakan oleh hewan sebagai sumber asam amino esensial dan nonesensial untuk membangun protein hewan. Pada hewan yang telah mati, degradasi protein mikrobial mengembalikan amonia ke tanah. Selanjutnya bakteri nitrifikasi mengubahnya menjadi nitrat (NO - 2 ) dan nitrat (NO - 3 ) kembali. Sekarang marilah kita mengamati proses fiksasi nitrogen yang penting bagi setiap bentuk kehidupan. Pada tumbuhan, banyak dari nitrogen digunakan dalam molekul klorofil, yang penting untuk fotosintesis dan pertumbuhan lebih lanjut. Meskipun atmosfer bumi Metabolisme Nitrogen 1

2 merupakan sumber berlimpah nitrogen, sebagian besar relatif tidak dapat digunakan oleh tanaman. 1.2 Tujuan 1. Untuk mengetahui dan memahami Metabolisme Nitrogen 2. Untuk mengetahui dan memahami Siklus Nitrogen 3. Untuk mengetahui dan memahami Proses-Proses Dalam Daur Nitrogen 4. Untuk mengetahui dan memahami Pengubahan NH4 + mejadi senyawa organik 5. Untuk mengetahui dan memahami Fungsi Dan Manfaat Nitrogen Dalam Ekologi Metabolisme Nitrogen 2

3 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Metabolisme Nitrogen Nitrogen adalah unsur yang paling berlimpah di atmosfer (78% gas di atmosfer adalah nitrogen). Meskipun demikian, penggunaan nitrogen pada bidang biologis sangatlah terbatas. Nitrogen merupakan unsur yang tidak reaktif (sulit bereaksi dengan unsur lain) sehingga dalam penggunaan nitrogen pada makhluk hidup diperlukan berbagai proses, yaitu: fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi. 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 difokuskan pada metabolisme nitrogen dimana Reduksi nitrat menjadi ammonium dan perubahan ammonium menjadi senyawa organic yang terdapat pada tumbuhan. 2.2 Siklus Nitrogen Siklus nitrogen adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsur nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis. Siklus nitrogen secara khusus sangat dibutuhkan dalam ekologi karena ketersediaan nitrogen dapat mempengaruhi tingkat Metabolisme Nitrogen 3

4 proses ekosistem kunci, termasuk produksi primer dan dekomposisi. Aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil, penggunaan pupuk nitrogen buatan, dan pelepasan nitrogen dalam air limbah telah secara dramatis mengubah siklus nitrogen global. 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. Metabolisme Nitrogen 4

5 Gambar 1. Daur Nitrogen Nitrat sangat mudah larut dlm tanah sehingga cepat hilang krn proses pembusukan. Taraf ketersediaan nitrogen dlm tanah tergantung pada banyaknya bahan organik, populasi jasad renik, tingkat pembasuhan. Dlm keadaan alami terjadi keseimbangan antara laju pertumbuhan dan gaya-gaya yg menentukan penyediaan nitrogen dlm tanah. Pemanenan menyebabkan terkurasnya nitrogen krn pengambilan bahan organik dan erosi. Hal ini menyebabkan pertanian intensif sangat tergantung pada tambahan pupuk nitrogen. Awalnya nitrogen berasal dari sumber organik, terutama guano (kotoran burung). Saat ini nitrogen dibuat menurut proses Haber- Bosch: nitrogen + hidrogen amoniak. 2.3 Proses-Proses Dalam Daur Nitrogen Nitrogen hadir di lingkungan dalam berbagai bentuk kimia termasuk nitrogen organik, amonium (NH + 4 ), nitrit (NO - 2 ), nitrat (NO - 3 ), dan gas nitrogen (N 2 ). Nitrogen organik dapat berupa organisme hidup, atau humus, dan dalam produk antara dekomposisi bahan organik atau humus dibangun. Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia ke bentuk kimiawi yang lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk pertumbuhan. Metabolisme Nitrogen 5

6 Gambar 2. Proses Daur Nitrogen Fiksasi Nitrogen Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang mengubah nitrogen di udara menjadi amonia (NH 3 ). Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen disebut diazotrof. Milroorganisme ini memiliki enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen. Reaksi untuk fiksasi Nitrnitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut : N H e 2 NH 3 + H 2 Mikroorganisme yang melakukan fiksasi nitrogen antara lain: Cyanobacteria, Azotobacteraceae, Rhizobia, Clostridium, dan Frankia. Selain itu ganggang hijau biru juga dapat memfiksasi nitrogen. Beberapa tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa hewan (rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses nonbiologis, contohnya sambaran petir. Lebih jauh, ada empat cara yang dapat mengkonversi unsur nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang lebih reaktif : a. Fiksasi biologis: beberapa bakteri simbiotik (paling sering dikaitkan dengan tanaman polongan) dan beberapa bakteri yang hidup bebas dapat memperbaiki nitrogen sebagai nitrogen organik. Sebuah contoh dari bakteri pengikat nitrogen adalah bakteri Rhizobium mutualistik, yang hidup dalam nodul akar Metabolisme Nitrogen 6

7 kacang-kacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter. b. Industri fiksasi: Di bawah tekanan besar, pada suhu 600 C, dan dengan penggunaan katalis besi, nitrogen atmosfer dan hidrogen (biasanya berasal dari gas alam atau minyak bumi) dapat dikombinasikan untuk membentuk amonia (NH 3 ). Dalam proses Haber-Bosch, N 2 adalah diubah bersamaan dengan gas hidrogen (H 2 ) menjadi amonia (NH 3 ), yang digunakan untuk membuat pupuk dan bahan peledak. c. Pembakaran bahan bakar fosil : mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx). d. Proses lain: Selain itu, pembentukan NO dari N 2 dan O 2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen. Hasil penelitian tentang fiksasi N ini menunjukkan bahwa ada cukup banyak genera bakteri yang dapat mem-fiksasi N termasuk spesies dari Bacillus, Clostridium, dan Vibrio. Pada habitat perairan, cyanobacteria adalah kelompok utama yang melakukan fiksasi N (Anabaena, Nostoc, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, dll) Komponen yang berperan dalam fiksasi N di habitat perairan adalah heterocyst, tapi ada cyanobacteria yg tidak memiliki heterocyst yg juga dpt fiksasi N. Fiksasi N memerlukan cukup banyak energi dalam bentuk ATP dan koenzim Asimilasi Tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah melalui absorbsi akar baik dalam bentuk ion nitrat atau ion amonium. Sedangkan hewan memperoleh nitrogen dari tanaman yang mereka makan. Tanaman dapat menyerap ion nitrat atau amonium dari tanah melalui rambut akarnya. Jika nitrat diserap, pertama-tama direduksi menjadi ion nitrit dan kemudian ion amonium untuk dimasukkan ke dalam asam amino, asam nukleat, dan klorofil. Pada tanaman yang memiliki hubungan mutualistik dengan rhizobia, nitrogen dapat berasimilasi dalam bentuk ion amonium laangsungdari nodul. Hewan, jamur dan organism heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil. Asimilasi merupakan Penyerapan dan penggabungan dengan unsur lain membentuk zat baru dengan sifat baru. Senyawa Nitrat (NO3)- diserap oleh tumbuhan mengalami proses asimilasi menjadi bahan penyusun organ pada tumbuhan. Metabolisme Nitrogen 7

8 Tumbuhan sebagai Produsen dikonsumsi oleh manusia dan hewan. Nitrogen pada biomassa tumbuhan masuk ke dalam proses biokimia pada manusia dan hewan. Jumlah relatif NO - 3 dan nitrogen organik dalam xylem bergantung pada kondisi lingkungan. Jenis tumbuhan yang akarnya mampu mengasimilasi N, dalam cairan Xylem dijumpai banyak asam amino, amide an urine, tidak dijumpai NH + 4. Sedangkan jika di dalm cairan xylem mengandung NO - 3 berarti akar tumbuhan itu tidak mampu mengasimilasi NO - 3. Kalau dlam lingkungan perakaran NO 3 - terdapat dalam jumlah besr, cairan xylem akan mengandung NO - 3 juga Reduksi Nitrogen 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. 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 electron dari H 2 O ke feredoksin (fd). Proses keseluruhan reduksi NO - 3 menjadi NH 4 yaitu : a. Reduksi Nitrat NO NADH NO NAD + H 2 O Reaksi ini berlangsung di sitosol, enzim yang mengkatalis adalah nitrat reduktase, enzim yang memindahkan dua elektron dari NADPH2, hasilnya adalah nitrite, NAD (NADP) dan H 2 O. Nitrat reduktase adalh suatu enzim besar dan kompleks yang terdiri dari FAD, satu sitokrom dan Molibdenum (Mo) yang semuanya akan tereduksi dan teroksidasi pada waktu elektron diangkut dari NADH 2 ke atom nitrogen dalm NO 3 b. Reduksi Nitrit NO H 2 O + 6 Fd +2 H + + cahaya NH ,5O 2 +3 H 2 O + 6 Fd Reaksi ini berlangsung di kloroplas (pada daun) atau pada proplastida (pada akar), dengan enzim Nitrit reduktase. Meskipun Fd tereduksi merupakan donor elektron yang khas bagi nitrit reduktase di daun. Metabolisme Nitrogen 8

9 Gambar 3. proses keseluruhan reduksi NO 3 menjadi NH Pengubahan NH4 + mejadi senyawa organik NH + 4 (ammonium) yang diserap langsung dari tanah atu yang dihasilkan oleh fiksasi N 2 tidakb pernah dijumpai tertimbun dalam tubuh tumbuhan. Ammonium ini bersifat racun, mungkin menghambat pembentukan ATP dalam kloroplas maupun dalam mitokndria. Ammonium ini segera ditangkap oleh asam glutamat untuk menjadi glutamine dengan enzim glutamine sintetase, glutamin direaksikan dengan asam α keto glutarat menjadi 2 molekul asam glutamate. Untuk reaksi ini juga diperlukan elektron yang bersal dari Fd (dalam kloroplas) dan NADH atau NADPH 2 dalam proplastida dari sel-sel non-fotosintetik. Salah satu dari kedua glutamate yang terbentuk diperlukan untuk mempertahankan reaksi 1, sedang glutamat yang kedua dapat berubah langsung menjadi protein atau asam amino lain yang diperlukan untuk sintesis protein, klorofil, asam nukleat dan lain-lain. Selain membentuk glutamate, glutamine dapat memberikan gugus amide-nya kepada asam aspartat untuk menjadi asparagin yang dikatalis oleh enzim asparagin sintetase. Glutamin dan asparagin menjadi senyawa nitrogen organik pertama yang terbentuk, selanjutnya gugus NH 2 dapat diberikan kepada α keto karboksilat, membentuk asam amino. Proses ini dinamakan transaminasi. Dengan transaminasi berbagai asam amino dapat dibuat, tergantung pada α keto karboksilatnya. Metabolisme Nitrogen 9

10 Gambar 4. Pengubahan ammonium menjadi senyawa organik yang penting 2.5 Fungsi Dan Manfaat Nitrogen Dalam Ekologi Nitrogen sangatlah penting untuk berbagai proses kehidupan di Bumi. Nitrogen adalah komponen utama dalam semua asam amino, yang nantina dimasukkan kedalam protein, protein adalah zat yang sangat dibutuhkan dalam pertumbuhan. Nitrogen juga hadir di basis pembentuk asam nukleat, seperti DNA dan RNA yang nantinya membawa hereditas. Pada tumbuhan, banyak dari nitrogen digunakan dalam molekul klorofil, yang penting untuk fotosintesis dan pertumbuhan lebih lanjut. Meskipun atmosfer bumi merupakan sumber berlimpah nitrogen, sebagian besar relatif tidak dapat digunakan oleh tanaman. Pengolahan kimia atau fiksasi alami (melalui proses konversi seperti yang dilakukan bakteri rhizobium), diperlukan untuk mengkonversi gas nitrogen menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme hidup, oleh karena itu nitrogen menjadi komponen penting dari produksi pangan. Kelimpahan atau kelangkaan dari bentuk "tetap" nitrogen, (juga dikenal sebagai nitrogen reaktif), menentukan berapa banyak makanan yang dapat tumbuh pada sebidang tanah. Metabolisme Nitrogen 10

11 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 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. Nitrogen merupakan salah satu unsur 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 amonium. 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). Proses pereduksian nitrat menjadi amonium dapat terjadi dalam dua reaksi yang berbeda yaitu yang dikatalis oleh nitrat reduktase dan pengubahan nitrit menjadi NH 4 + yang dikatalis oleh nitrit reduktase. Proses pengubahan amonium menjadi senyawa organik terbagi atas 5 reaksi antara lain glutamine sintetase, glutamat sintase, asparagin sintetase, transaminase, PEP karboksilase. Metabolisme Nitrogen 11

12 DAFTAR PUSTAKA Anonymous siklus nitrogen. diakses 09 Mei 2012 Champbell, Reece Mitchell Biologi Edisi Kelima (Terjemahan). Penerbit Erlangga. Jakarta. Effendi, Hefni.2003.TELAAH KUALITAS AIR, Bagi Pengelolaan Sumber Daya dan Lingkungan Perairan. Kanisius: Yogyakarta. Diakses 09 Mei 2012 Dwidjoseputro, D Pengantar Fisiologi Tumbuhan. Penerbit. Pt. Gramedia: Jakarta. Patty, Aldi Fiksasi nitrogen oleh bakteri. diakses 08 Mei 2012 Riyn Multiply. diakses 08 Mei 2012 Sasmitamihardja, Dardjat Fisiologi Tumbuhan. Proyek Pendidikan Tenaga Akademik, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan kebudayaan. Wijaya, mela metabolism nitrogen. diakses 09 Mei 2012 Metabolisme Nitrogen 12