Metabolisme Nitrogen pada Tumbuhan: Cara, Pemanfaatan dan Detail lainnya

Metabolisme Nitrogen Pada Tumbuhan: Cara, Pemanfaatan dan Detail Lainnya!

Ada berbagai macam senyawa nitrogen dalam sel. Protein yang membentuk unsur penting protoplasma, asam nukleat yang menentukan batas morfologis dan fisiologis suatu spesies serta masing-masing anggotanya, enzim, vitamin, hormon, alkaloid, glikosida, dll., semuanya bersifat nitrogen.

Atmosfer adalah sumber utama nitrogen. Kecuali sejumlah kecil spesies yang dapat memperbaiki nitrogen atmosfer dan menggunakannya untuk mensintesis zat nitrogen yang tak terhitung jumlahnya yang mereka butuhkan, semua tumbuhan mendapatkan kebutuhan nitrogennya dari tanah.

Nitrat dan garam amonia yang membentuk bagian dari lingkungan mineral tanah diambil oleh akar dan digunakan dalam metabolisme nitrogen tanaman. Dengan demikian tanaman mendapatkan kebutuhan nitrogen mereka dalam empat cara berbeda:

(1) sebagai molekul nitrogen;

(2) sebagai nitrogen organik;

(3) sebagai nitrogen amoniak dan

(4) sebagai nitrogen nitrat.

Pemanfaatan Nitrogen Molekuler:

Hanya sangat sedikit organisme yang mampu memfiksasi nitrogen, yaitu pemanfaatan nitrogen atmosfer dalam sintesis senyawa nitrogen. Bakteri simbiotik pengikat nitrogen yang paling dikenal adalah Rliizobium. Bakteri ini hidup di dalam tanah membentuk bintil akar pada tanaman yang tergolong famili Leguminosae seperti buncis, gram, kacang tanah dan kedelai.

Beberapa bakteri yang hidup bebas seperti Azotobacter dan Clostridium pasteurianum juga mampu memperbaiki nitrogen atmosfer. Rhodospirillum, Rhodopseudomonas dan Chromatium yang dapat berfotosintesis juga dapat memfiksasi nitrogen. Tetapi reduksi nitrogen dilakukan melalui beberapa donor elektron tereduksi seperti sulfida, belerang, hidrogen atau senyawa organik, dan bukan dengan menggunakan energi cahaya.

Organisme pengikat nitrogen lainnya adalah beberapa alga biru-hijau, seperti Anabaena dan Nostoc. Biasanya mereka hidup bebas tetapi kadang-kadang mereka membentuk asosiasi simbiosis seperti dan ketika ditemukan di akar coralloid Cycas dan daun Azolla pakis air.

Pembentukan nodul pada legum telah dipelajari secara rinci. Ketika bagian dari nodul akar diperiksa, tampak merah muda karena adanya pigmen yang disebut leghemoglobin. Seperti hemoglobin, leghemoglobin adalah pemulung oksigen. Sintesis leghemoglobin membutuhkan kobalt karena merupakan bagian penting dari Vitamin B ₁₂ , senyawa yang dibutuhkan untuk produksi pigmen.

Molibdenum juga penting tetapi perannya tidak diketahui secara pasti; mungkin, itu memainkan peran kofaktor dan memfasilitasi reaksi redoks, yang menyebabkan reduksi nitrogen menjadi amonia. Enzim yang mengkatalisis fiksasi nitrogen (nitrogenase) berfungsi dalam kondisi aerobik. Leghemoglobin bergabung dengan oksigen dan melindungi oksigen dan melindungi nitrogenase.

Reaksi pasti yang terlibat dalam reduksi molekul nitrogen menjadi amonia tidak diketahui secara pasti. Namun, konversi N ₂ menjadi NH ₃ bukanlah proses yang lurus. Jalur yang mungkin dalam reduksi molekul nitrogen menjadi amonia diberikan di bawah ini.

Pemanfaatan Nitrogen Organik:

Banyak tanaman memanfaatkan senyawa nitrogen organik seperti asam amino dan urea. Cara penggunaan urea oleh tanaman tidak sepenuhnya dikerjakan tetapi kemungkinan besar, urease, enzim yang bekerja pada urea, menghidrolisisnya menjadi dua molekul amonia dan satu karbon dioksida. Amonia kemudian dimetabolisme dengan cara biasa.

Nitrogen Amoniak:

Garam amoniak sering digunakan sebagai sumber nitrogen oleh beberapa tumbuhan. Tetapi kesiapan tanaman menyerap senyawa amoniak tergantung pada sifat tanah dan umur tanaman. Radikal amonia yang diserap oleh tanaman dibangun menjadi amida, asam amino dan protein.

Nitrat Nitrogen:

Tanah mengandung nitrat dalam jumlah yang baik dan sebagian besar tanaman mendapatkan kebutuhan nitrogennya dalam bentuk itu. Memang, beberapa tanaman lebih menyukai nitrogen nitrat daripada nitrogen amoniak. Nitrogen nitrat direduksi menjadi bentuk amoniak sebelum dimasukkan ke dalam salah satu senyawa nitrogen sel. Pada awal tahun 1895, Schulze menyarankan jalur berikut untuk pengurangan ini.

Nitrat —> Nitrit —> Hyponitrite —> Hydroxylamine —> Ammonia

1. Reduksi Nitrat menjadi Nitrit:

Ini dilakukan oleh agen enzim nitrat reduktase. Enzim tersebut memiliki FAD sebagai gugus prostetiknya dan menggunakan NADPH atau NADH sebagai sumber daya pereduksi.

Molibdenum juga sangat penting untuk reduksi nitrat. Ini dibuktikan dengan fakta bahwa dalam molibdenum – tanaman yang kekurangan nitrat terakumulasi; berfungsi sebagai pembawa elektron. Skema transfer elektron yang terjadi selama reduksi nitrat menjadi nitrit dapat digambarkan seperti di bawah ini.

2. Pengurangan nitrit:

Venecko dan Verner (1955) menunjukkan bahwa reduksi nitrat-nitrogen menjadi amino-nitrogen terjadi pada daun utuh, baik dalam keadaan terang maupun gelap. Sebelumnya pada tahun 1953, Evans dan Nason menunjukkan bahwa dalam ekstrak tumbuhan, yang mengandung NADPH, nitrit menghilang perlahan-lahan meskipun, tampaknya daya reduksi untuk ini disediakan oleh pemisahan air secara fotokimia.

2HNO ₂ + 2H ₂ O —> 2NH ₃ + 3O ₂

Enzim pereduksi nitrit belum diisolasi, meskipun Nason, Abraham dan Averback (1954) menyiapkan sistem enzim semacam itu dari Neurospora. Sistem ini ternyata mampu menggunakan NADH atau NADPH sebagai donor hidrogen.

Pengurangan Hidroksilamina:

Nason (1955) dan Frear dan Burrel (1955) mengisolasi enzim yang mengubah hidroksilamin menjadi amonia dari Neurospora dan tumbuhan tingkat tinggi. Enzim ini juga diduga merupakan metalloflavoprotein dengan mangan sebagai kofaktor logam. Ini juga mempekerjakan NADH sebagai donor hidrogen.

NH ₂ OH + NADH + H ⁺ —> NH ₃ + NAD + H ₂ O

Menyimpulkan persamaan menurut skema Schulze yang kita miliki

Akhirnya, amonia dibangun menjadi asam amino, baik asam glutamat atau aspartat. Ini berfungsi untuk memulai berbagai reaksi transaminasi dan kemudian untuk membangun protein.

Metabolisme Asam Amino:

Sintesis asam amino kebanyakan terjadi di akar dan daun di mana nitrat direduksi. Sel-sel di daerah ini harus menyediakan asam organik yang diperlukan yang sebagian besar terbentuk dalam siklus Krebs. Karena siklus Krebs terjadi di mitokondria, diperkirakan bahwa tempat sintesis asam amino adalah mitokondria. Asam amino dibentuk dengan metode berikut:

1. Aminasi Reduktif:

Dengan adanya dehidrogenase dan daya pereduksi (baik NADH ₂ atau NADPH.,) amonia dapat bergabung langsung dengan asam keto untuk menghasilkan asam amino. Substrat aminasi reduktif umumnya adalah asam a-Ketogluturic, zat antara siklus Krebs. Ini menimbulkan asam glutamat. Asam glutamat diakui sebagai pintu masuk nitrogen anorganik ke dalam jalur metabolisme.

Pembentukan asam glutamat berlangsung melalui dua tahap. Asam a-ketoglutarat pertama diaminasi menjadi a-iminoglutarat dan kemudian melalui perantaraan NADPH dan terbentuk asam glutamat dehidrogenase glutamat.

Selain asam α-ketoglutarat, asam organik lain yang mengalami aminasi reduktif adalah oksaloasetat dan asam piruvat.

2. Transaminasi:

Setelah asam amino diatur, itu membentuk titik awal untuk produksi asam amino lainnya. Ini terjadi melalui reaksi transaminasi. Reaksi transaminasi terdiri dari transfer gugus amino dari asam amino ke asam organik, sehingga asam amino lain terbentuk.

Reaksi transaminasi tipikal dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Wilson, King dan Burris (1954) mendemonstrasikan reaksi transaminasi yang melibatkan asam glutamat dan tujuh belas asam amino lainnya. Beberapa dari mereka adalah:

Asam glutamat + Asam oksaloasetat <===> α -Asam ketoglutarat + Asam aspartat

Asam glutamat 4 Asam piruvat <===> α -Asam ketoglutarat + Alanin.

Aspek penting dari metabolisme asam amino adalah bahwa mereka tidak disimpan atau diekskresikan.