BAB I PENDAHULUAN
Sebagian besar energi metabolik yang dihasilkan didalam jaringan berasala dari oksidari karbohidrat dan triasilgliserol, yang bersama-sama meberikan energi sampai 90 persen kebutuhan energi laki-laki dewasa. Sisanya sebanyak 10 persen-15 persen tergantung pada makanan yang diberikan oleh osidasi asam amino. Walaupun asam amino terutama sebagai unit pembangun bagi biosintesis protein, molekul ini dapat mengalami degradasi oksidatif didalam tiga keadaan metabolik yang berbeda. (1) Selama putaran dinamik normal protein tubuh, asam amino yang dibebasan, jika tidak diperlukan untuk sintesis protein tubuh yang baru maka protein ini dapat mengalami degradasi oksidatif. (2) Jika asam amino termakan dalam jumlah yang melebihi kebutuhan tubuh terhadap sintesis protein, kelebihan ini dapat dikatabolisis, karena asam amino tidak dapat disimpan. (3) Selama berpuasa atau pada penderita diabetes mellitus, apabila karbohidrat tidak tersedia, atau tidak dimanfaatkan sebagaimana mestinya maka protein tubuh dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Pada keadaan yang berlainan, asam amino membebaskan gugus aminonya, dan asam α-keto α-keto yang terbentuk dapat teroksidasi menjadi karbondioksida dan air, sebagian melalui siklus asam sitrat.
1
BAB II PEMBAHASAN
A. Pemindahan Gugus α-Amino Dikatalis oleh Transaminase
Gugus α-amino dari ke 20 asam L-amino yang biasa dijumpai pada protein, pada akhirnya dipindahkan pada tahap tertentu dalam degradatif oksidatif molekul tersebut. Jika tidak dipergunakan kembali untuk sintesis asam amino yang baru atau produk nitrogen lainnya, gugus amino ini dikumpulkan dan lambat laun diubah menjadi satu produk akhir yang dapat dikeluarkan. Pada manusia dan kebanyakan vertebrata daratan, bentuk ini adalah urea. Pembebasan gugus α-amino dari kebanyakan asam L-amino dikatalisa oleh enzim yang disebut transaminase atau aminotransferase.
Gambar 1. Reaksi transaminase oleh enzim transaminase (piridoksal fosfat) Pada reaksi ini, yang kita kenal juga sebagai transaminasi, gugus αamino dipindahkan secara enzimatik ke atom karbon α pada α-ketoglutarat, sehingga dihasilkan asam α-keto, sebagai analog dengan asam amino yang bersangkutan.
Reaksi
ini
juga
menyebabkan
aminasi
αketoglutarat,
membentuk L-glutamat. Asam L-α-amino + α-ketoglutarat ↔ asam α-keto + L-glutamat Perhatikan bahwa kita tidak menjumpai deaminasi total, atau hilangnya gugus amino di dalam reaksi ini, karena α-ketoglutarat teraminasi pada saat asam α-amino mengalami deaminasi. Tujuan keseluruhan reaksi transaminasi
2
adalah mengumpulkan gugus amino dari berbagai asam amino dalam bentuk hanya satu asam amino, yakni L-glutamat. Jadi katabolisme gugus asam amino menyatu menjadi produk tunggal.
Kebanyakan transaminase bersifat spesifik bagi α-ketoglutarat sebagai molekul penerima gugus amino di dalam reaksi ini seperti dituliskan di atas. Namun demikian, enzim tersebut tidak terlalu spesifik bagi substratnya yang lain, yaitu asam L-amino yang
emberikan gugus aminonya. Beberapa
transaminase yang paling penting, yang dinamakan sesuai dengan molekul pemberi aminonya, ditunjukkan oleh persamaan di bawah ini: L-Alanin + α – ketoglutarat ↔ piruvat + L- glutamate (alanin transaminase)
3
L-Aspartat + α–ketoglutarat ↔ oksaloasetat + L-glutamat (aspartat tansaminase)
L-Leusin + α–ketoglutarat ↔ α- ketoisokaproat + L-glutamat (leusin transaminase)
L-Tirosin + α–ketoglutarat ↔ P-hidroksitenilpiruvat + L-glutamat (tirosin transaminase)
Jadi, α-ketoglutarat merupakan senyawa umum penerima gugus amino dari kebanyakan asam amino yang lain. L-glutamat yang terbentuk berperan untuk menyampaikan gugus amino kepada lintas iosintetik tertentu atau menuju ke urutan akhir reaksi ini. Di sini, hasil buangan bernitrogen dibentuk dan lalu dikeluarkan dari tubuh. Reaksi yang dikatalisis oleh transminase bersifat dapat balik, karena tetapan keseimbangannya mencapai kira-kira 1,0. Harga ∆Gº’ bagi reaksi tersebut, oleh karenanya mendekati nol. Semua transaminase memiliki gugus prostetik yang terikat kuat dan mekanisme reaksi yang bersifat umum. Gugus prostetik piridoksal fosfat, merupakan turunan piridoksin atau vitamin B6. Piridoksal fosfat berfungsi sebagai senyawa antara pembawa gugus amino pada sisi aktif transaminase. Selama berlangsungnya siklus katalistik, molekul ini mengalami perubahan dapat balik di antara bentuk aldehidanya, piridoksal fosfat, yang dapat menerima gugus amino, dan bentuk teraminasinya piridoksamin fosfat, yang dapat mem berikan gugus aminonya kepada α-ketoglutarat. Dengan cara ini, gugus prostetik bertindak sebagaimolekul pembawa sementara gugus amino (yang bersifat dapat balik) dari suatu asam amino menuju α-ketoglutarat.
4
Gambar 2. Metabolisme Vitamer-Vitamer Vitamin B6 Pada Sel Hewan Transaminase
merupakan
contoh
klasik
enzim-enzim
yang
mengkatalisis reaksi ping-pong bimolecular. Pada reaksi tersebut, substrat pertama harus meninggalkan sisi aktif enzim sebelum substrat kedua dapat terikat. Jadi, asam amino yang datang mengikat sisi aktif, memberikan gugus aminonya ke piridoksal fosfat, dan meninggalkan enzim dalam bentuk suatu asam α-keto. Lalu, asam α-keto yang datang diikat, menerima gugus amino dari piridoksamin fosfat, dan meninggalkan enzim, sekarang dalam bentuk suatu asam amino. Gugus karbonil dari piridoksal fosfat yang terikat oleh enzim bergabung dengan gugus α-amino dari asam amino yang datang, membentuk senyawa antara yang berikatan kovalen, yaitu sejenis senyawa yang disebut basa Schiff. Suatu perpindahan ikatan ganda C=N terjadi setelah itu, dan kerangka karbon asam amino yang terikat kovalen pada gugus prostetik dalam bentuk pirikdosamin fosfat. Molekul ini sekarang membentuk basa Schiff dengan α-ketoglutarat yang datang, yang segera menerima gugus asam a mino, pada hakekatnya melalui kebalikan reaksi yang membentuknya.
5
Pengukuran aktivitas transminase alanin dan aspartat di alam serum darah merupakan prosedur diagnostic yang penting di dalam ilmu kedokteran, yang digunakan untuk menentukan gawatnya serangan jantung dan untuk memantau penyembuhan penyakit ini. Pengukuran ini juga dipergunakan untuk mendetaksi pengaruh racun beberapa kimiawi industri.
B. Ammonia Dibentuk dari Glutamat
Kita telah melihat bahwa gugus amino dipindahkan dari hampir semua asam α-amino oleh transaminasi ke α-ketoglutarat membentuk L-glutamat. Glutamate
mengalami
deaminasi
oksidatif
oleh
aktivitas
L-glutamat
+
dehigronase, yang memerlukan NAD sebagai molekul penerima ekuivalen pereduksi: +
+
2-
L-glutamat + NAD + H2O ↔ α-ketoglutarat 3NH4 + NADH + H
+
Enzim ini terdapat hanya dalam mitokondria, yaitu pada matriksnya. Glutamate dehidronase menyababkan terbentuknya hampir semua ammonia di dalam jaringan hewan, karena glutamate merupakan satu-satunya asam amino dengan gugus α-amino yang dapat secara langsung dilepaskan pada kecepatan tinggi dengan cara tersebut. Glutamat dan glutamate dehidronase memegang peranan yang unik di dalam metabolism golongan amino. Glutamate dehidronase merupakan enzim alosterik yang kompleks. Berat molekulnya kira-kira 300.000, dan enzim ini terdiri dari enam subunit yang identik terhadap sesamanya, masing-masing mengandung satu rantai polipeptida yang terdiri dari 500 residu. Enzim tersebut diaktifkan dengan kuat oleh modulator positif ADP, tetapi dihambat oleh GTP, yang merupakan produk reaksi suksinil-KoA sintetase di dalam siklus asam sitrat. Bilamana sel hati memerlukan bahan bakar bagi siklus asam sitrat untuk membentuk ATP, aktivitas glutamate dehidrogenase meningkat, menyebabkan α-ketoglutarat tersedia bagi siklus asam sitrat dan membebaskan NH 3 untuk dikeluarkan di dalam tubuh. Sebaliknya, bilamana GTP terakumulasi di dalam mitikondria sebagai akibat aktivitas yang tinggi pada siklus asam sitrat, deaminasi oksidatif glutamate menjadi terhambat.
6
Ammonia dapat dihemat dan digunakan kembali di dalam sintesis asam amino. Dalam hal ini, glutamate dehidrogenase bekerja dalam arah kebalikannya, mereduksi ammonia dan α-ketoglutarat untuk memebentuk glutamate. Namun demikian, reaksi ini dijalankan oleh reaksi yang berkaitan dengan NADP, dan bukannya hanya kebalikan dari reaksi yang berkaitan dengan NAD, yang sederhana, seperti dituliskan di atas. +
2-
+
-
NADPH + NH4 + α-ketoglutarat → NADP + glutamate + H2O Penggunaan
kedua
koenzim
yang
berbeda
oleh
glutamate
dehidrogenase untuk membebaskan dan menarik NH 3 memungkunkan regulasi yang tak tergantung pada deaminasi glutamate dan aminasi αketoglutarat, walaupun keduanya dikatalisa oleh enzim yang sama.
C. Urea Dibentuk oleh Siklus Urea
Pada hewan, ureotelik, ammonia yang dihasilkan dari deaminasi asam amino diubah menjadi urea di dalam hati oleh mekanisme siklik, yaitu siklus urea, yang pertama kali ditemukan leh Hans Krebs dan Kurt Henseleit pada 1932. Krebs dan Henseleit menemukan bahwa kecepatan pembentukan urea dari ammonia oleh irisan tipis hati yang disuspensikan di dalam medium buffer aerobic dipercepat oleh penambahan salah satu dari tiga senyawa spesifik, ornitin, sitrulin, atau arginin.
Gambar 1. Ketiga asam amino yang ditemukan oleh Krebs. Arginin tentunya merupakan salah satu asam amino baku yang ditemukan pada protein. Walaupun ornitin dan sitrulin juga merupakan asam
7
α-amino, golongan ini tidak terdapat sebagai unit pembangun molekul protein. Ketiga senyawa ini merangsang aktivitas sintesis urea jauh melampaui aktivitas senyawa bernitrogen umum lainnya yang diuji. Struktur ketiga senyawa aktif ini memperlihatkan bahwa ketiganya mungkin berhubungan satu sama lain dalam satu urutan, dengan ornitin sebagai pemula sitrulin dan selanjutnya sitrulin menjadi pemula arginin. Arginin telah lama diketahui dapat terhidrolisa menjadi ornitin dan urea oleh kerja enzim arginase. Arginin + H2O ornitin + urea Krebs menyimpulkan bahwa suatu proses siklik terjadi, dengan ornitin memegang peranan serupa dengan oksalaasetat di dalam siklus asam sitrat. Molekul ornitin bergabung dengan satu molekul NH 3 dan satu CO2 membentuk sitrulin. Molekul kedua ammonia ditambahkan ke sitrulin, membentuk arginin, yang lalu terhidrolisis menghasilkan urea, dengan pembentukan kembali molekul ornitin. Semua organisme yang mampu melakukan biosintesis arginin dapat mengkatalisis reaksi-reaksi ini sampai ke titik arginin, tetapi hanya hewan ureotelik yang dilengkapi sejumlah besar enzim arginase, yang mengkatalisis hidrolisis tak dapat balik arginin, membentuk urea dan ornitrin. Ornitrin yang diregenerasi ini lalu siap untuk memulai putaran selanjutnya siklus urea ini.
Gambar. Siklus urea seperti yang pertama dikemukakan oleh Krebs dan Henseleit.
8
Urea, yang merupakan produk siklus ini, merupakan senyawa netral, tidak beracun dan larut di dalam air. Molekul ini diangkut melalui darah menuju ginjal dan dikeluarkan ke dalam urin. D. Siklus Urea Terdiri Atas Beberapa Tahap Kompleks
Gambar 3. Siklus Urea
9
Gugus amino pertama yang memasuki siklus urea muncul dalam bentuk ammonia bebas, oleh deasimenasi oksidatif glutamate di dalam mitokondria sel hati. Reaksi ini dikatalisis oleh glutamate dehidrogenase, yang +
memerlukan NAD . -
+
2-
+
Glutamat + NAD + H2O ↔ α-ketoglutarat + NH4 + NADH + H
+
1. Reaksi pada sintesis karbamil fosfat Amonia bebas yang terbentuk segera dipergunakan, bersama-sama dengan karbon dioksida yang dihasilkan di dalam mitokondria oleh respirasi, untuk membentuk karbamoil fosfat di dalam matriks, pada suatu reaksi yang bergantung kepada ATP, yang dikatalisis oleh enzim karbamoil fosfat sintetase I. Angka Romawi ini menunjukkan bentuk mitokondria enzim ini, untuk membendakannya dari bentuk sitosolnya (II). Dalam reaksi pembentukan karbamil fosfat ini, satu mol ammonia bereaksi dengan satu mol karbondioksida dengan bantuan enzim karbamilfosfat sintetase. Reaksi ini membutuhkan energy, karenanya reaksi ini melibatkan dua mol ATP yang diubah menjadi ADP. Disamping itu sebagai kofaktor dibutuhkan Mg
2+
dan N-asetil-glutamat. O
2+
O
Mg CO2 + NH3 + 2 ATP + H2O
H2N
C
O
-
P
O
+ 2 ADP + Pi
-
N-asetil glutamat
O
ΔGo= -3,3 kkal/mol
Karbamoil fosfat
Karbamoil fosfat sintetase I merupakan enzim pengatur, enzim ini memerlukan N-asetilglutamat sebagai modulator positif atau perangsangnya. Karbamoil fosfat merupakan senyawa berenergi tinggi, molekul ini dapat dipandang sebagai suatu pemberi gugus karbamoil yang telah diaktifkan. Perhatikan bahwa gugus fosfat ujung dari dua molekul ATP dipergunakan untuk membentuk satu molekul karbamoil fosfat.
2. Reaksi pada pembentukan siturulin
10
Pada tahap selanjutnya dari siklus urea, karbamoil fosfat memberikan gugus karbamoilnya kepada ornitin untuk membentuk sitrulin dan membebaskan fosfatnya, dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh ornitin transkarbamoilase yang terdapat pada bagian mitokondria sel hati, 2+
yakni enzim mitokondria yang memerlukan Mg . -
+
Karbamoil fosfat + ornitin sitrulin + Pi + H NH2
C O
NH2
+
H2N
C
HN
OPO3H2
karbamilfosfat
CH2
O
+ H3PO4
CH2 CH2
CH2
CH2
CH2
HCNH2
HCNH2
COOH
COOH
L-siturulin L-ornitin
Sitrulin yang terbentuk sekarang meninggalkan mitokondria dan menuju ke dalam sitosol sel hati. Gugus amino yang kedua sekarang datang dalam bentuk L-aspartat, yang sebaliknya diberikan dari L-glutamat oleh kerja aspartat transaminase. Oksalasetat + L-glutamat ↔ L-aspartat + α-ketoglutarat L-Glutamat tentunya menerima gugus amino dari kebanyakan asam amino umum lainnya oleh transaminasi menjadi α-ketoglutarat. Pemindahan gugus amino kedua ke sitrulin terjadi dengan reaksi pemadatan di antara gugus amino aspartat dan karbon karbonil sitrulin dengan adanya ATP, untuk membentuk agininosuksinat. Reaksi ini dikatalisa oleh arginosuksinat 2+
sintetase sitosol hati, suatu enzim yang tergantung kepada Mg . 3. Reaksi pada asam argininosuksinat
11
Selanjutnya siturulin bereaksi dengan asam aspartat membentuk asam argininosuksinat.
Reaksi
ini
berlangsung
dengan
bantuan
enzim
argininosuksinat sintese. Dalam reaksi tersebut ATP merupakan sumber energy dengan jalan melepaskan gugus fosfat dan berubah menjadi AMP. Sitrulin + aspartat + ATP → argininosuksinat + AMP + PP i + H+
COOH
COOH NH2
NH
2+
NH
Mg C
HN
O
C
OH
+ H2NCH
C
+ ATP
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
CH2
CH2
asam aspart
CH2
CH2
CH2
HCNH2
HCNH2
HCNH2
L-siturulin
+ AMP + PP
HN
HN
COOH
CH
COOH
CH2
COOH
COOH
asam argininosuksinat
enolat L-siturulin
Pada tahap selanjutnya argininosuksinat segera terurai oleh argininosuksinat liase untuk membentuk arginin dan fumarat bebas. Argininosuksinat ↔ arginin + fumarat Fumarat yang terbentuk, kembai menuju kumpulan senyawa antara siklus asam sitrat. 4. Reaksi pada penguraian asam argininosuksinat Dalam reaksi ini asam asam argininosuksinat diuraikan menjadi arginin dan asam fumarat. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuksinase, suatu enzim yang terdapat dalam hati dan ginjal.
12
COOH NH
NH C
NH
CH
C
HN
NH2
+
CO2H
C
HN
CH2
CH2
H
C
CH2
COOH
CH2
CH2
CH2
CH2
HCNH2
HCNH2
COOH
HOOC
H
asam fumarat
COOH
L-arginin
asam argininosuksinat
5. Reaksi pada penguraian arginin Reaksi terakhir ini melengkapi tahap reaksi pada siklus urea. Dalam reaksi ini arginin diuraikan menjadi urea dan ornitin. Enzim yang bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguaraian ini adalah arginase yang terdapat dalam hati. Ornitin yang terbentuk dalam reaksi hidrolisis ini bereaksi kembali dengan karbamiklfosfat untuk siturulin. Demikian seterusnya reaksi berlangsung secara berulang-ulang sehingga merupakan suatu siklus. Adapun urea yang terbentuk dikeluarkan deri tubuh melalui urine. Reaksi keseluruhan siklus urea ini aialah sebagai berikut:
Urea + 2 ADP + AMP + 2 Pi + PPi
2NH3 + CO2 + 3 ATP + 2 H2O
Oleh karena pirofosfat yang terbentuk dalam reaksi ini (PPi) terhidrolisis lebih lanjut menjadi fosfat, maka pembentukan satu molekul urea membutuhkan empat ikatan fosfat berenergi tinggi. Proses kimia dalam siklus urea ini terjadi dalam hati karena enzim-enzim yang bekerja sebagai katalis terutama terdapat pada mitokondria dalam sel hati.
13
NH2
NH2
NH C
NH2
C
+ H2O
+
NH2
CH2
O
HN
CH2
urea CH2
CH2
CH2
HCNH2
CH2
COOH
L-ornitin
HCNH2
COOH
L-arginin
Pada reaksi terakhir dari siklus urea, enzim arginase hati menguraikan arginin, untuk menghasilkan urea dan ornitin. Arginin + H2O → ornitin + urea Oleh karena itu, ornitin diregenerasi dan dapat masuk ke mi tokondria kembali, untuk memulai putaran selanjutnya dari siklus urea. Persamaan keseluruhan siklus urea adalah:
+
-
4-
3-
-
-
3-
+
2NH4 + HCO3 + 3ATP + H2O → urea + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + H -
Siklus urea menggabungkan dua gugus amino dan HCO 3 untuk membentuk dua molekul urea, yang berdifusi dari sel hati menuju ke aliran darah, kemudian dikeluarkan ke dalam urine oleh ginjal. Jadi, ammonia yang beracun diubah menjadi urea yang tidak berbahaya pada hewa ureotelik. Setiap molekul urea yang dibentuk, harus dikonsumsi satu molekul -
HCO3 . Oleh karena itu, siklus urea mempergunakan dan mengeluarkan dua hasil buangan, yaitu ammonia dan bikarbonat. Selanjutnya, kenyataan ini menyatakan bahwa siklus urea berpartisipasi dalam pengaturan pH darah, -
yang bergantung kepada nisbah CO 2 terlarut terhadap HCO3 .
E. Hasil Energi Sintesis Urea
14
Dalam siklus ini dihasilkan urea yang selanjutnya dibuang melalui ginjal berupa urin. Proses yang terjadi di dalam siklus urea digambarkan terdiri atas beberapa tahap yaitu sebagai berikut. 1. Dengan peran enzim karbamoil fosfat sintase I, ion amonium bereaksi dengan CO2 menghasilkan karbamoil fosfat. Dalam raksi ini diperlukan energi dari ATP. 2. Dengan peran enzim ornitin transkarbamoilase, karbamoil fosfat bereaksi dengan L-ornitin menghasilkan L-sitrulin dan gugus fosfat dilepaskan 3. Dengan peran enzim argininosuksinat sintase, L-sitrulin bereaksi dengan L-aspartat menghasilkan L-argininosuksinat. Reaksi ini membutuhkan energi dari ATP 4. Dengan peran enzim argininosuksinat liase, L-argininosuksinat dipecah menjadi fumarat dan L-arginin. 5. Dengan peran enzim arginase, penambahan H 2O terhadap L-arginin akan menghasilkan L-ornitin dan urea.
Gambar. ………………….
15
Jika diperhatikan pada diagram dia, sintesis satu molekul urea memerlukan 4 gugus fosfat berenergi tinggi. Dua ATP diperlukan untuk membuat karbamoil fosfat, dan satu lagi diperlukan untuk membentuk argininosuksinat.
Tetapi, pada reaksi yang terakhir ini, ATP mengalami
penguraian pirofosfat menjadi AMP dan pirofosfat, yang dapat terhidrolisis untuk menghasilkan dua ortofosfat. Jadi, harga energy yang harus dibayar untuk membuat satu molekul urea, pada akhirnya adalah 4 ATP.
F. Siklus Nitrogen
Lintas biosintetik menuju asam amino dan nukleotida sama-sama memerlukan nitrogen, tetapi senyawa nitrogen yang dapat larut yang bermanfaat bagi aktivitas biologik biasanya jarang terdapat dilingkungan alamiah. Bentuk nitrogen yang paling banyak dijumpai terdapat diudara, yang mengandung sampai empat per lima adalah molekul nitrogen (N 2). Akan tetapi, hanya beberapa spesies saja yang dapat mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk nitrogen yang bermanfaat bagi organisme hidup. Tahap-tahap dalam siklus nitrogen adalah sebagai berikut: 1. Tahap I (Fiksasi) Tahap pertama di dalam siklus nitrogen adalah fiksasi nitrogen di atmosfer oleh organisme pengikat nitrogen, yang menghasilkan ammonia (NH3). Fiksasi nitrogen dikatalis oleh suatu kompleks enzim, yaitu sistem nitrogenase, yang aktivitasnya masih belum dipahami sepenuhnya. Karena
sistem nitrogenase bersifat tidak stabil dan segera mengalami inaktivasi oleh oksigen atmosfer, enzim ini sulit untuk diisolasi dalam bentuk aktif dan dimurnikan. Produk fiksasi nitrogen stabil yang pertama dikenali adalah ammonia (NH3), jadi proses keselurahan dipandang terdiri dari reduksi nitrogen (N2) molekulor menjadi dua molekul ammonia. Reaksinya sebagai berikut: N2 + 3H2 2NH3 Amonia yang dihasilkan dalam fiksasi nitrogen dapat digunakan oleh bentuk kehidupan lain, baik secara langsung, atau setelah pengubahannya menjadi senyawa terlarut lainnya, seperti nitrit, nitrat, atau asam amino.
16
Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen disebut diazotrof. Hanya beberapa spesies mikroorganisme dan tanaman yang dapat melakukan fiksasi nitrogen atmosfer. Beberapa bakteri yang hidup bebas, seperti sianobakteri atau ganggang hijau biru, yang terdapat tidak hanya di dalam
air tawar dan air asin, tetapi juga pada tanah dan jenis-jenis bakteri tanah lainnya, seperti Azotobacter, Rhizobia mampu melakukan fiksasi nitrogen atmosfer. Jenis fiksasi nitrogen lainnya terjadi pada tanaman leguminosa, yang mencakup kacang-kacangan, cengkeh, di dalam suatu proses yang memerlukan kerja sama tanaman inang dan bakteri simbiotik yang hidup pada bintil akarnya. Tipe fiksasi nitrogen ini dinamakan fiksasi nitrogen simbiotik. Enzim yang mengkatalisis fiksasi nitrogen sebenarnya terletak pada bakteri yang hidup dibintil akar, tetapi tanaman menyediakan komponen essensial yang tidak ada dibakteri. Selain leguminosa, beberapa tanaman lain dapat melakukan fiksasi nitrogen, tetapi sebagian besar tanaman
nonleguminosa,
dan
semua
spesies
hewan
tidak
dapat
mempergunakan nitrogen atmosfer.
Gambar 1. Bintil pengikat nitrogen pada akar tanaman leguminosa. Bakteri simbiotik pengikat nitrogen tumbuh mengelompok pada sel akar.
17
Tanaman dan banyak bakteri dapat segera mereduksi nitrat kembali menjadi ammonia melalui aktivitas nitrat reduktase, proses ini dikenal sebagai denitrifikasi. Amonia yang terbentuk dapat dibangun 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 microbial mengembalikan
ammonia
ke
tanah.
Selanjutnya
bakteri
nitrifikasi
mengubahnya menjadi nitrit (NO2 ) dan nitrat (NO3 ) kembali.
2. Tahap II (Nitrifikasi) Tahap kedua dari siklus nitrogen adalah proses nitrifikasi. Terdapat beberapa bakteri tanah penting yang memperoleh energinya dengan mengoksidasi ammonia untuk membentuk nitrit dan akhirnya nitrat. Karena organisme ini amat banyak dan aktif, hampir semua ammonia yang mencapai tanah, akhirnya teroksidasi menjadi nitrat, proses ini dikenal sebagai nitrifikasi. Konversi amonium menjadi nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup di dalam tanah dan bakteri nitrifikasi lainnya. Tahap utama nitrifikasi, bakteri nitrifikasi seperti spesies Nitrosomonas mengoksidasi +
-
amonium (NH4 ) dan mengubah amonia menjadi nitrit (NO2 ). Spesies bakteri lain, seperti Nitrobacter , bertanggung jawab untuk oksidasi nitrit -
menjadi dari nitrat (NO3 ). Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat penting karena nitrit merupakan racun bagi kehidupan tanaman. Proses nitrifikasi dapat ditulis dengan reaksi berikut i ni: -
+
a. NH3 + CO2 + 1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2 + H2O + H -
b. NO2 + CO2 + 0.5 O2 + Nitrobacter → NO3 −
+
−
c. NH3 + O2 → NO2 + 3H + 2e +
d. NO2− + H2O → NO3− + 2H + 2e
3. Tahap III (Denitrifikasi)
18
-
Tahap ketiga dari siklus nitrogen adalah proses denitrifikasi. Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N2), untuk menyelesaikan siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam kondisi anaerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi.
Denitrifikasi
umumnya
berlangsung
melalui
beberapa
kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut: − − NO3 → NO2 → NO + N2O → N2 (g)
Proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi +
− − redoks berikut ini : 2 NO 3 + 10 e + 12 H → N2 + 6 H2O
Secara garis besar siklus nitrogen dapat digambarkan di bawah ini:
Gambar.2 Siklus Nitrogen. Jumlah total nitrogen yang diikat di dalam biosfer per tahun melebihi 10
19
11
kg
