0 - Makalah Metabolisme Nitrogen [PDF]

Citation preview

MAKALAH METABOLISME NITROGEN BIOKIMIA



Disusun Oleh : 1. Sayidah Milasari



(L1A018004)



2. Fenina Octavia Balquisa (L1A018006) 3. Ahmad Endar Nur F



(L1A018015)



4. Ramadani Ermizal P



(L1A018026)



5. Mutiara Ayu K



(L1A018028)



6. Syarifah Twienadilla F



(L1A018035)



7. Farah Amelia



(L1A018049)



KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN PURWOKERTO 2019



1



Daftar Isi



Halaman Judul....................................................................................................................... 1 Daftar Isi................................................................................................................................ 2 Pembahasan........................................................................................................................... 3 Pertanyaan dan Jawaban........................................................................................................ 18 Daftar Pustaka....................................................................................................................... 22



2



1. Fiksasi Nitrogen Fiksasi Nitrogen adalah proses penggabungan nitrogen atmosfer dengan unsur-unsur lain untuk membentuk senyawa yang berguna. Hanya ada beberapa cara di mana nitrogen, yang relatif inert (sulit bereaksi dengan unsur lain), dapat dikombinasikan dengan unsur-unsur lain. Nitrogen sangat penting untuk makhluk hidup dan, karena sebagian besar organisme tidak dapat menggunakan nitrogen yang tidak dikombinasikan dengan unsur-unsur lain, fiksasi nitrogen menjadi penting untuk kelangsungan hidup di bumi. Perbaikan atau penggabungan nitrogen juga diperlukan untuk pembuatan berbagai zat, termasuk bahan peledak dan pupuk komersial (Sridianti, 2018) Fiksasi Nitrogen Secara Industri Proses Haber, disebut juga proses Haber–Bosch, adalah suatu proses fiksasi nitrogen artifisial dan merupakan prosedur industri utama untuk produksi amonia yang berlaku saat ini. Proses ini dinamakan demikian setelah para penemunya, kimiawan Jerman Fritz Haber dan Carl Bosch, mengembangkan proses ini pada paruh pertama abad ke-20. Proses ini mengubah nitrogen (N2) atmosfer menjadi amonia (NH3) melalui suatu reaksi dengan hidrogen (H2) menggunakan katalis logam di bawah temperatur dan tekanan tinggi: N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92.4 kJ·mol-1) (Max, 2006) Sejarah singkat dari proses Haber-Bosch sebagai berikut, para ahli berpaling pada oksidasi NH3 dalam udara (mulai 1978) dengan tujuan untuk meningkatkan faktor ekonomis. Pada tahun 1901, Wilhelm Ostwald menemukan proses oksidasi katalitik dari NH3 dengan katalis platinum (Pt). Gas nitrogen oksida yang diproduksi dengan mudah dapat didinginkan dan dilarutkan dalam air untuk menghasilkan larutan HNO3. Hingga tahun 1908 fasilitas pertama yang ada untuk memproduksi HN03 menggunakan proses oksidasi katalitik tersebut didirikan di dekat Bochurn, Jerman. Fritz Haber, seorang ahli kimia Jerman, mengembangkan proses dalam dekade pertama abad ke-20. Karl Bosch, ilmuwan Jerman yang lain, mengadaptasi proses untuk keperluan industri. Proses sintesa 3



NH3 dengan cara Haber-Bosch pertama kali muncul pada tahun 1913, yang akhimya berkembang dan menjanjikan masa depan yang baik bagi proses oksidasi NH3 untuk menghasilkan HNO3 (Arkitos, 2003). Proses Haber, atau Haber-Bosch Process. Dalam proses ini, nitrogen dipanaskan (dari udara) dan hidrogen dicampur di bawah tekanan yang sangat tinggi dalam bejana di mana mereka bergabung secara kimiawi. Bejana berisi katalis (biasanya besi dengan oksida alumunium dan kalium), yang mempercepat reaksi kimia. Proses Haber adalah proses yang paling banyak digunakan untuk produksi komersial amonia (Sridianti, 2018). Fiksasi Nitrogen Secara Biologi Sumber nitrogen yang paling penting adalah udara, yang mana empat per lima molekul nitrogen (N2). Namun, relatif sedikit spesies dapat mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk berguna bagi organisme hidup. Di biosfer, proses metabolisme dari berbagai spesies yang berbeda berfungsi saling tergantung dan berkesinambungan untuk mengolah dan menggunakan kembali nitrogen yang tersedia secara biologis dalam siklus nitrogen yang luas. langkah pertama dalam siklus adalah fiksasi (reduksi) nitrogen di atmosfer oleh bakteri pengikat nitrogen untuk menghasilkan amonia (NH3 atau NH4).



1. Gambar X. Siklus Nitrogen 2. (Lehninger, 2000)



4



Secara biologis, NH3 dapat dibentuk dari N2 oleh enzim nitrogenase yang terdapat pada bakteri pemfiksasi nitrogen. Hanya beberapa spesies mikroorganisme yang dapat melakukan fiksasi nitrogen yaitu seperti: ganggang hijau biru dan azobacter. Bakteri dari genus Rhizobium, hidup di dalam tanaman, terutama kacang-kacangan seperti kacang polong, semanggi, dan alfalfa. Bakteri menyebabkan akar kacang-kacangan untuk membentuk bintil akar (pembengkakan) di mana organisme hidup. Tanaman menyediakan bakteri dengan makanan. Sebagai imbalannya, bakteri mengeluarkan senyawa amonium yang diserap dan digunakan oleh kacang-kacangan dan tanaman lain yang ditanam di tanah yang sama (Sridianti, 2018). Menurut Purwaningsih (2015) dalam jurnal penelitiannya, kedelai merupakan tanaman legum yang dapat bersimbiosis dengan bakteri Rhizobium untuk memfiksasi N2 udara. Penggunaan inokulan Rhizobium pada tanaman kedelai dapat mendukung peningkatan produktivitas tanaman kedelai. Nitrogen merupakan senyawa penting yang dibutuhkan bagi pertumbuhan tanaman. Nitrogen merupakan unsur utama pembentuk asam-asam amino, protein dan asam nukleat. Kebutuhan nitrogen bagi tanaman dapat diperoleh melalui fiksasi N2, penyerapan NH4- maupun NO3+. Penambatan nitrogen pada simbiosis Rhizobium-legum terjadi di bintil akar yang mengandung bakteroid. Bakteroid mensintesis enzim nitrogenase yang diperlukan sebagai katalisator reduksi nitrogen menjadi amonium. Nitrogenase yang disintesis oleh Rhizobium diketahui sangat mirip dengan nitrogenase dari bakteri-bakteri diazotrop lain yang terdiri atas enzim yang mengandung molibdenum (Mo) dan besi (Fe) atau disebut nitrogenase-Mo. Enzim nitrogenase diperlukan dalam penambatan nitrogen pada simbiosis Rhizobium-legum yang terjadi pada bintil akar. Enzim nitrogenase berfungsi sebagai katalisator reduksi nitrogen menjadi amonium. Besarnya aktivitas enzim nitrogenase sering digunakan sebagai indikator aktivitas fiksasi nitrogen. Mikro organisme 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 5



(rayap), telah membentuk asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses non-biologis, contohnya sambaran petir. Pembakaran Bahan Bahar Fosil Mesin mobil dan pembangkit listrik termal, yang melepaskan berbagai nitrogen oksida (NOx). Proses Lain Selain itu, pembentukan NO dari N2 dan O2 karena foton dan terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.



2. 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 ini : 1. NH3+ CO2 + 1.5 O2 + Nitrosomonas → NO2– + H2O + H+ 2. NO2–+ CO2 + 0.5 O2 + Nitrobacter → NO3– 3. NH3+ O2 → NO2− + 3H+ + 2e− 4. NO2−+ H2O → NO3− + 2H+ + 2e Note : “Karena kelarutannya yang sangat tinggi, nitrat dapat memasukkan air tanah. Peningkatan nitrat dalam air tanah merupakan masalah bagi air minum, karena nitrat dapat mengganggu



tingkat



oksigen



darah



pada



bayi



dan



menyebabkan



sindrom



methemoglobinemia atau bayi biru. Ketika air tanah mengisi aliran sungai, nitrat yang memperkaya air tanah dapat berkontribusi untuk eutrofikasi, sebuah proses dimana populasi alga meledak, terutama populasi alga biru-hijau. Hal ini juga dapat menyebabkan kematian 6



kehidupan akuatik karena permintaan yang berlebihan untuk oksigen. Meskipun tidak secara langsung beracun untuk ikan hidup (seperti amonia), nitrat dapat memiliki efek tidak langsung pada ikan jika berkontribusi untuk eutrofikasi ini.”



3. Denitrifikasi Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N2), untuk



menyelesaikan siklus



nitrogen.



Proses



seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam



ini



dilakukan



kondisi



oleh



spesies



anaerobik.



bakteri Mereka



menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi. Fakultatif anaerob bakteri ini juga dapat hidup dalam kondisi aerobik. 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: 2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O - Oksidasi Amonia Anaerobik Dalam proses biologis, nitrit dan amonium dikonversi langsung ke elemen (N2) gas nitrogen. Proses ini membentuk sebagian besar dari konversi nitrogen unsur di lautan. Reduksi dalam kondisi anoxic juga dapat terjadi melalui proses yang disebut oksidasi amonia anaerobik NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O (D. Dwidjoseputro, 1998) - Deaminasi Oksidatif Reaksi deaminasi oksidatif terjadi dalam jaringan ginjal dan hati. Berbeda dengan reaksi transaminasi yang memindahkan gugus amino, deaminasi oksidatif oleh glutamat dehidrogenase menghasilkan gugus amino bebas diseut amonia (NH3). Asam amino dengan reaksi transaminasi dapat diubah menjadi asam glutamat. Dalam beberapa sel misalnya dalam bakteri, asam glutamat dapat mengalami proses deaminasi oksidatif yang menggunakan glutamat dehidrogenase sebagai katalis. Asam glutamat + NAD + α - ketoglutarat + NH4 + NADH + H+ 7



Dalam proses ini asam glutamat melepaskan gugus amino dalam bentuk NH4+. Selain NAD+ glutamat dehidrogenase dapat pula menggunakan NADP+ sebagai aseptor elektron. Oleh karena asam glutamat merupakan hasil akhir proses transaminasi, maka glutamat dehidrogenase merupakan enzim yang penting dalam metabolisme asam amino oksidase dan D-asam oksidase. Tumbuhan mengasimilasi nitrat yang diabsorbsi menjadi senyawa nitrogen organik. (Harvey,2011)



4. 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 langsung dari nodul. Hewan, jamur, dan organisme heterotrof lain mendapatkan nitrogen sebagai asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil (D.Dwidjoseputro, 1998).



5. Amonifikasi Amonifikasi merupakan tahapan dalam siklus nitrogen dimana sisa sisa tanaman dan produk produk limbah akan terurai oleh mikroorganisme untuk selanjutnya akan menghasilkan ammonia. Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur (D. Dwidjoseputro, 1998). Mikroorganisme dalam tanah akan memakan bahan organik mati yang kemudian menjadi energy dan nantinya akan menghasilkan ammonia serta senyawa dasar lainnya yang akan menjadi produk sampingan dari metabolism yang terjadi. Ammonia ini akan dipertahankan didalam tanah dalam bentuk ion ammonium. Nitrogen hadir di lingkungan dalam berbagai bentuk kimia termasuk nitrogen organik, amonium (NH4 +), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dan gas nitrogen (N2). Nitrogen organik dapat berupa organisme hidup, atau humus, dan dalam produk antara dekomposisi



8



bahan organik atau humus dibangun. Proses siklus nitrogen mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia lain. Banyak proses yang dilakukan oleh mikroba baik untuk menghasilkan energi atau menumpuk nitrogen dalam bentuk yang dibutuhkan untuk pertumbuhan. Reaksi pertama adalah reduksi nitrat menjadi nitrit dalam sitosol oleh enzim nitrat reduktase: Reduksi nitrat menjadi nitrat pada proses asimilasi dalam tumbuhan dibantu dengan adanya enzim nitrat reduktase yang berupa flavoprotein yang diatur oleh komponen logamnya yakni molibdenum. Nitrogenase merubah gas N2 menjadi ammonia dalam mikroba pengikat N. Reduksi nitrat merupakan suatu proses enzimatik yang memerlukan energi. Menurut Lakitan (1996), ion hidrogen dan energi diperoleh dari respirasi aerobik. Nitrat yang diabsorbsi oleh akar akan diasimilasikan oleh tumbuhann menjadi senyawa organik yang mengandung nitrogen. Tahap pertama adalah reduksi nitrat menjadi nitrit yang terjadi dalam sitosol, dikatalis oleh enzim nitrat reduktase dengan reaksi sebagai berikut : NO3- + NAD(P)H + H+ + 2e-



NO2- +NAD(P)+ + H2O



NAD(P)H sebagai donor elektron. Enzim nitrat reduktase pada tumbuhan tingkat tinggi tersusun



atas



2



subunit



yang identik,



masing-masing



mengandung



3



gugus



prostetik: FAD (flavin adenin dinukleotida), heme dan molibdat (Mo) yang ketiganya membentuk komplek dengan molekul organik yang disebut protein. Nitrat reduktase merupakan protein yang mengandung Mo dan bila terjadi defisiensi Mo maka akan terjadi akumulasi nitrat sebagai akibat aktivitas nitrat reduktase berkurang. Nitrit (NO2-) adalah ion yang sangat reaktif dan toksik. Hasil aktivitas enzim Nitrat Reduktase berupa nitrit bersifat toksit, sehingga harus segera diubah menjadi amonium. Demikian pula halnya dengan amonium, juga bersifat toksit, maka segera diubah menjadi glutamine yang dikatalisis oleh GS (Glutamine Synthetase). Nitrit (NO2) merupakan bentuk peralihan antara ammonia dan nitrat (nitrifikasi) dan antara nitrat dengan gas nitrogen (denitrifikasi) oleh karena itu, nitrit bersifat tidak stabil dengan keberadaan oksigen. Tumbuhan kemudian secara cepat memindahkan nitrit dari sitosol ke kloroplas (daun) atau platida (akar) untuk kemudian direduksi menjadi amonium oleh enzim nitrit reduktase. Kebanyakan jenis tanaman lebih mudah mengasimilasi nitrat diikuti oleh nitrit dan amonium. Tanaman mendapatkan nitrogen dari tanah melalui absorbsi akar baik dalam 9



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 langsung dari nodul. Taraf amonium yang tinggi bersifat toksik baik pada tumbuhan maupun hewan yang dapat menghilangkan gradient proton yang dibutuhkan untuk fotosintesis dan repiratory transport elektron. Akumulasi nitrat pada tanaman tidak membahayakan tanaman tersebut namun akan berbahaya



jika



dikonsumsi



oleh



manusia



yang



akan



menyebabkan



penyakit



methemoglobinemia, begitupun juga dengan hewan akan menghindar dari bau amonium yang menyengat. Sementara tumbuhan akan segera menyimpan amonium dalam vacuola sehingga menghindari efek toksik pada membran dan sitosol. Sel-sel tumbuhan menghindari toksisitas amonium yang dihasilkan dari asimilasi nitrat atau fotorespirasi dengan cara merubahnya secara cepat menjadi asam amino. Adapun konversi ammonium menjadi asam amino membutuhkan 2 enzim yaitu : Glutamine synthetase (GS) dan Glutamate synthetase (GOGAT). (Glutamine : 2-Oxoglutarate aminotransferase). o Amoniak 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. o Pada hewan yg telah mati degradasi protein mengembalikan amoniak ke tanah, selanjutnya bakteri nitrifikasi mengubahnya menjadi nitrat (NO-2) dan nitrat (NO-3) kembali. Bakteri penambat N2 di daerah perakaran dan bagian dalam jaringan tanaman padi, yaitu Pseudomonas spp., Enterobacteriaceae , Bacillus , Azotobacter, Azospirillum dan Herbaspirillum 10



telah terbukti mampu meningkatkan secara nyata penambatan N2 (James dan Olivares, 1997). Bakteri penambat N2 pada rizosfer tanaman gramineae, sepertiAzotobacter paspali dan Beijerinckia spp. termasuk salah satu dari kelompok bakteri aerobik yang mengkolonisasi permukaan akar (Baldani et al ., 1997). Azotobacter merupakan bakteri penambat N2 yang mampu menghasilkan substansi zat pemacu tumbuh giberelin, sitokinin, dan asam indol asetat,sehingga pemanfaatannya dapat memacu pertumbuhan akar (Alexander,1977). PopulasiAzotobacter dalam tanah dipengaruhi oleh pemupukan dan jenis tanaman. Simbiosis antara bakteri dan tanaman saling menguntungkan kedua belah pihak. Tanaman kedelai tergolong sub family Papilionoideae, family Leguminosae. Kebanyakan spesies tanaman dalam sub family Papilionoideae berbintil akar. Bintil akar merupakan tonjolan kecil di akar yang terbentuk akibat infeksi bakteri pengikat nitrogen yang bersimbiosis secara



mutualistik



tersedianya nitrogen bagi



dengan tumbuhan.



tumbuhan



simbion,



Kerja



sama



ini



memungkinkan



khususnya



pada



keadaan



kurangnya



ketersediaan nitrogen larut di tanah. Bintil akar biasa ditemukan berkelompok. BINTIL AKAR Bintil akar merupakan organ simbiosis yang mampu melakukan fiksasi N dari udara, sehingga tanaman mampu memenuhi sebagian besar kebutuhan nitogen dari hasil fiksasi N2.Hal ini merupakan ciri khas leguminosa yang berbintil akar dan perlu diperhitungkan dalam upaya meningkatkan produksinya.Bintil akar terbentuk dengan serangkaian proses yang diawali dengan kehadiran suatu strain Rhizobium sp pada bulu akar tanaman leguminosae,dilanjutkan dengan penyusupan sel Rhizobium kedalam sel bulu akar dan penyusupan lebih lanjut ke sel jaringan akar yang lebih dalam. Interaksi antara sel Rhizobium dengan sel jaringan akar,akan membentuk bintil-bintil akar. Dalam interaksi itu sel Rhizobium akan berubah menjadi bentuk bakteroid, sedangkan dibagian tengah sel bintil akar yang mengandung bakteroid terbentuk pigmen merah (leghemoglobin). Ensim nitrogenase yang dibentuk oleh bakteroid dan leghemoglobin merupakan dua komponen yang terlibat daam proses fiksasi N2.Sesuai kespesifikan dan ciri-ciri khas lain dapat dibedakan beberapa spesies bakteri Rhizobium yaitu diantaranya Rhizobium leguminosarum, R.m eliloti, R.trifolii, R.phaseoli, R.lupini, R.japonicum. 11



Tetapi tidak semua hubungan antara tanaman legunminosae dengan bakteri Rhizobium berjalan dengan serasi,tapi apabila hubungannya berjalan serasi maka akan menghasilkan bintil akar yang sangat efektif dalam fiksasi N2,bintil akar yang efektif umumnya dapat memenuhi kurang lebih dua pertiga dari kebutuhan nitrogen tanaman,bahkan pada tanaman kedelai dapat memenuhi hingga 74% kebutuhan nitrogen tanaman. Keserasian hubungan antara strain Rhizobium dan varietas kedelai yang berbintil akar menentukan keefektipan fiksasi N2. Untuk menghasilkan fiksasi N2 yang maksimal, bintil akar yang efektif memerlukan dukungan faktor-faktor tertentu dalam tanah dan yang mendukung pertumbuhan tanamannya. Faktor-faktor yang mempengaruhi keberadaan bakteri bintil akar : 1. Jika terdapat bintil akar,efektifitas dalam fiksasi N2 selain ditentukan oleh keserasian hubungan antara bakteri Rhizobium (mikrosimbion) dengan tanaman leguminosa (makrosimbion), ditentukan pula oleh ketersediaan usur hara tertentu (Ca, Mg, P, dan Mo).Ketersediaan dan keadaan unsur-unsur hara tersebut dipengaruhi oleh pH. 2. Pada pH yang sangat rendah yaitu pada kisaran 4-6, Ca, P, dan Mo kurang tersedia, sedang kadar Al dan Mn berada pada tingkat meracuni tanaman. 3. Suhu optimal untuk Rhizobium berkiar antara 18 o – 26 o C,minimal 3 o C dan maksimal 45 o C. 4. Mikroorganisme lain (sebagai kompetitor di rizosfir). Mikroorganisme lain,terutama yang antagonis, dapat menghalangi bakteri bintil akar untuk menginfeksi akar. 5. Leghemoglobin. Aktifitas nitrogenase dan fikasasi N2 oleh legume berhubungan erat dengan Leghemoglobin.Fungsi Leghemoglobin diduga untuk mengirim O2 bagi respirasi dalam bintil dan produksi ATP. 6. Sumber makanan (BO dan perakaran). Sumber makanan diperlukan untuk bertahan sambil menginfeksi akar. 7. Kelembaban. Kelembaban yang berlebihan akan



menurunkan jumlah fiksasi N2menurun.



Kelembaban tanah 25-75% dari kapasitas lapang optimal untuk simbiosis kedelai dan alfalfa. 12



8. Senyawa racun. Atom N dalam ion NH4+ dan dan NO3- mengurangi bintil akar dan fiksasi N2oleh bintil akar dengan cara mengganggu pembentukan benang – benang infeksi oleh Rhizobium. Mn pada kadar tinggi mengganggu pertumbuhan bintil akar. 9. Ketersediaan nutrisi. Atom P diperlukan untuk pembentukan dan aktifitas bintil yang maksimal. Ca dibutuhkan



oleh



Rhizobium



untuk



meginfeksi



akar.



Kekurangan



S



akan



mengganggu sitesis nitrogenase sehingga kekurangan S menurunkan fiksasi N2. Mo adalah unsur penting bagi pertumbuhan bakteri karena Mo berperan pada nitrogenase.



MEKANISME PENAMBATAN NITROGEN OLEH BINTIL AKAR Adanya bakteri menyebabkan rambut akar menggulung.Sejalan dengan masuknya bakteri akar membentuk benang infeksi yang di dalamnya ada bakteri bintil.Benang infeksi terus berkembang sampai di korteks dan mengadakan percabangan.Percabangan ini menyebabkan jaringan korteks membesar yang dapat dilihat sebagai bintil.Di tempat ini terjadi fiksasi N. Mekanisme penambatan nitrogen secara biologis dapat digambarkan melalui persamaan berikut ini.Dua molekul amonia dihasilkan dari satu molekul gas nitrogen dengan menggunakan 16 molekul ATP dan pasokan elektron dan proton (ion hidrogen). N2+8H+8e+16ATP=2NH3+H2+16ADP+16Pi Reaksi ini hanya dilakukan oleh bakteri prokariot, menggunakan suatu kompleks enzim nitrogenase.Enzim ini mengandung 2 molekul nutrien yaitu molekul protein besi dan 1 molekul protein molibden besi.Reaksi ini berlangsung ketika molekul N2 terikat pada kompleks enzim nitrogenase.Protein Fe mula-mula direduksi oleh elektron yang diberikan oleh ferredoksin. Kemudian Fe reduksi mengikat ATP dan mereduksi protein molibden besi yang memberikan elektron pada N2 sehingga menghasilkan NH=NH. Pada dua daur berikutnya prosesi ini ( masing-masing membutuhkan elektron yang disumbangkan oleh ferredoksin) NH=NH direduksi menjadi H2N-NH2 dan selanjutnya direduksi menjadi NH3 tergantung pada jenis mikrobanya, ferredoksin reduksi yang memasok elektron untuk proses ini diperoleh melalui fotosintesis, respirasi atau fermentasi. 13



Rumus pemanfaatan nitrogen bagi tanaman sendiri dapat dilihat sbb : N2+H2→NH4→NO3 Simbiosis mutualisme yang terjadi.Bakteri mendapatkan zat hara yang kaya energi dari tanaman inang sedangkan tanaman inang mendapatkan senyawa nitrogen dari bakteri untuk melangsungkan kehidupannya. Untuk menambat nitrogen, bakteri ini menggunkan enzim nitrogenase, dimana enzim ini akan menghambat gas nitrogen di udara dan merubahnya menjadi gas amoniak. Gen yang mengatur proses penambatan ini adalah gen nif, (singkatan nitrogen-fixation). Gen-gen nif ini berbentuk suatu rantai, tidak terpencar ke dalam sejumlah DNA yang sangat besar yang menyusun kromosom bakteri, tetapi semuanya terkelompok dalam suatu daerah. Hal ini memudahkan untuk memotong bagian untaian DNA yang sesuai dari kromosom ribozobium yang menyisipkannya ke dalam mikroorganisme lain. Mekanisme Infeksi Bakteri Rhizobium Pada Akar Adanya bakteri menyebabkan rambut akar menggulung yg dirangsang oleh IAA.Sejalan dgn masuknya bekteri akar membentuk benang infeksi yg didlmnya ada bakteri bintil.



Benang



infeksi



trs



berkembang



sampai



di



kortek



dan



mengadakan



percabangan.Percabangan ini menyebabkan jaringan kortek membesar yg dpt dilihat sbg bintil. Di tempat ini terjadi fiksasi N Tipe bintil akar : 1. Globus Ciri: berbentuk bulat, gampang lepas dari akar 2. Peanut Ciri: berbentuk agak bulat, letaknya terbenam 3. Semi Globus Ciri: bentuknya tidak beraturan, permukaannya ada yang kasar dan licin. 4. Memanjang 5. Koral



14



Bakteri mendapat zat hara yang kaya energi dari tanaman inang sedangkan tanaman inang mendapatkan nitrogen dari bakteri untuk melangsungkan kehidupannya. Bakteri Rhizobium bila bersimbiosis dengan tanaman legum, kelompok bakteri ini akan menginfeksi akar tanaman dan membentuk bintil akar di dalamnya. Akar tanaman tersebut menyediakan karbohidrat dan senyawa lain bagi bakteri melalui kemampuannya mengikat nitrogen bagi akar. Jika bakteri dipisahkan dari inangnya (akar), maka tidak dapat mengikat nitrogen sama sekali atau hanya dapat mengikat nitrogen sedikit sekali. Bintil-bintil akar melepaskan senyawa nitrogen organik ke dalam tanah tempat tanaman polong hidup. Dengan demikian terjadi penambahan nitrogen yang dapat menambah kesuburan tanah.Terjadinya bintil akar diawali oleh interaksi antara tanaman dan bakteri Rhizobia. Akar tanaman mengeluarkan sinyal yang akan mengaktifkan ekspresi gen dari bakteri yang berperan pada nodulasi. Setelah adanya sinyal tadi, bakteri (Rhizobia) akan mensintesis sinyal yang menginduksi pembentukan meristem nodul dan memungkinkan bakteri untuk masuk ke dalam meristem tersebut melalui proses infeksi. Sinyal‐sinyal kimia yang di sintesis oleh bakteri itu pada dasarnya merupakan asam amino termodifikasi (homoserin lakton) yang membawa subtituen rantai asil yang bervariasi yang disebut asil homoserin lakton (AHL). Melalui pendeteksian dan reaksi terhadap senyawa‐senyawa kimia tersebut sel‐sel tanaman secara individu dapat merasakan berapa banyak sel yang mengelilingi mereka. Interaksi secara simbiosis terjadi karena adanya pertukaran sinyal antara tumbuhan dan bakteri (Rhizobia). tanaman mensekresikan senyawa‐senyawa flavonoid yang gugus fenolnya bersama dengan NodD (protein penggerak) dari bakteri menginduksi ekspresi dari gen pembentukan nodul dari Rhizobia (nod, nol, noe). Sebagai hasilnya, Rhizobia memproduksi Nod factors. Induksi Nod factors direspon oleh tanaman (yang salah satunya) dengan pembentukan nodul. Proses pembentukan nodul terjadi melalui beberapa tahap perkembangan yang dimulai dengan kolonisasi bakteri Rhizobia dan lalu menempel pada rambut akar. Kemudian Rhizobia terjebak di dalam lekukan lipatan rambut akar yang kemudian mengakibatkan Rhizobia mencoba masuk melalui dinding sel dengan menyusup dengan membentuk infeksi (luka). Sel kortikoid tertentu dari tanaman membelah untuk membentuk primordial nodul dan melalui primordial ini penyusupan sel secara infeksi tumbuh. Pertumbuhan tersebut 15



lebih lanjut akan membentuk suatu tumor. Di dalam daerah infeksi tersebut bakteri membelah diri sebelum akhirnya terbentuk nodul dan bakteri tersebut terdiferensiasi menjadi bakteroid dan mulai mengikat nitrogen Pada awal respon tanaman terhadap induksi Nod factors, melibatkan aliran ion yang melewati membran plasma dan berasosiasi di membran, yang diikuti getaran secara berkala ion kalsium yang diikuti pembentukan ulang rambut akar dan inisiasi pembelahan sel kortikoid. Pembentkan bintil akar membutuhkan Nod factors karena apabila Rhizobia tidak memproduksi Nod factors maka tidak akan terjadi pembentukan bintil. Nitrogenase merupakan enzim kompleks yang terlibat dalam proses fiksasi nitrogen. Nitrogenase berperan dalam pengubahan bentuk nitrogen bebas di udara menjadi amonia (NH3). Nitrogenase terdiri atas dua komponen yaitu komponen I (dinitrogenase atau protein Fe-Mo) dan komponen II (dinitrogenase reduktase atau protein Fe). Nitrogenase dikode oleh sekitar 20 gen nif (Lee et al., 2000), diantara 20 gen nif tersebut, gen nifH merupakan gen terpenting yang dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan nitrogenase karena menyandi subunit pembentuk kompleks nitrogenase Keluarga glutamat meliputi glutamate,glutamin, prolin, dan arginin. Seperti dijelaskan, α-ketoglutarat mungkin dikonversi menjadi glutamat oleh aminasi reduktif dan oleh reaksi transaminasi melibatkan sejumlah asam amino. Meskipun kontribusi relatif dari reaksi sintesis glutamat bervariasi dengan jenis sel dan kondisi metabolisme, transaminasi memainkan peran utama dalam kebanyakan sintesis molekul glutamat dalam sel eukariotik. Selain sebagai komponen protein dan sebagai prekursor untuk asam amino lainnya, glutamat juga digunakan dalam sistem saraf pusat sebagai neurotransmitter rangsang. (Trudy McKee.2004) Pengubahan glutamat menjadi glutamin, dikatalisis oleh glutamin sintase, yang berlangsung di sejumlah jaringan mamalia (hati, otak, ginjal, otot, dan usus). BCAA ( rantai cabang asam amino) merupakan sumber penting dari gugus amino dalam sintesis glutamine. Gugus amino BCAA mungkin digunakan terutama untuk sintesis asam amino nonesensial. Selain perannya dalam sintesis protein, glutamine adalah pendonor gugus amino dalam berbagai reaksi biosintesis (misalnya, purin, pirimidin, dan sintesis gula amino) dan sebagai bentuk penyimpanan dan transportasi yang aman dari NH4+ . (Trudy McKee.2004).



16



ALT mengkatalisasi transfer gugus amino dari L-alanin ke α-ketoglutarat , produkproduk dari reaksi transaminasi reversibel ini adalah piruvat dan L-glutamat . L-alanin + α-ketoglutarate ⇌ piruvat + L-glutamat L-glutamat + oksaloasetat ⇌ α-ketoglutarate + L- aspartat, Aspartat merupakan anggota pertama dari keluarga aspartat asam amino, berasal dari oksaloasetat dalam reaksi transminasi. L-glutamat + glioksilat ⇌ α-ketoglutarate + glysin, Glisin disintesis dari glikosilat yang mengalami transaminasi dengan glutamate dan alanin , dikatalisa oleh glisin transaminase. Reaksinya berjalan dua arah sehingga selain untuk→sintesis glisin juga untuk sintesis serin.



Pertanyaan dan Jawaban 1. Manakah diantara pernyataan di bawah ini yang menunjukkan proses nitrifikasi pada siklus nitrogen : A. Konversi dari ion amonium menjadi nitrat B. Konversi dari ion amonium menjadi nitrit C. Konversi dari gas nitrogen menjadi nitrit 17



D. Konversi dari gas nitrogen menjadi nitrat E. Konversi dari nitrit menjadi nitrat



2. Karena kadar N2 di udara mencapai 78%, tumbuhan tidak mengalami kesukaran dalam memanfaatkan N2 tersebut secara langsung di alam. SEBAB Nitrogen perlu terlebih dahulu difiksasi dengan bantuan mikroba, menjadi amonium, nitrit dan nitrat untuk dapat diserap oleh tumbuhan. Jawaban : D. Pernyataan salah dan alasan benar. (Mutiara Ayu, L1A018028)



3. Perubahan anomia menjadi nitrit pada siklus nitrogen dilakukan oleh… A. Nitrobacter B. Nitrosomonas C. Anabaena D. Rhizobium E. Azobacter



4. Karena kadar N2 di udara mencapai 78%, tumbuhan tidak mengalami kesukaran dalam memanfaatkan N2 tersebut secara langsung di alam. SEBAB Nitrogen perlu terlebih dahulu difiksasi dengan bantuan mikroba, menjadi amonium, nitrit dan nitrat untuk dapat diserap oleh tumbuhan. Jawaban : D. Pernyataan salah dan alasan benar. (Farah Amelia, L1A018049)



18



5. Dimana reaksi pertama terjadinya reduksi nitrat menjadi nitrit pada tumbuhan? A. Sitosol B. Vakuola C. Organel D. Ribosom E. Sentriol



6. Tumbuhan akan segera menyimpan ammonium dalam vacuola SEBAB Untuk menghindari efek toksit pada membrane dan sitosol Jawaban: A. Pernyataan 1 benar, pernyataan 2 benar, memiliki hubungan sebab-akibat. (Sayidah Milasari, L1A018004)



7. Fiksasi nitrogen secara biologis melibatkan enzim.... A. Amilase B. Lipase C. Selulase D. Nitrogenase E. Reduktase Karena menurut Purwaningsih (2015), enzim nitrogenase berfungsi sebagai katalisator reduksi nitrogen menjadi amonium. Besarnya aktivitas enzim nitrogenase sering digunakan sebagai indikator aktivitas fiksasi nitrogen. 8. Hubungan antara tumbuhan kacang kedelai dengan bakteri dari genus Rhizobium adalah simbiosis mutualisme SEBAB Tumbuhan kacang kedelai memberikan makanan dan tempat hidup bagi bakteri Rhizobium. Bakteri Rhizobium menghasilkan zat amonia yang bermanfaat bagi tumbuhan. Jawaban: A. Pernyataan 1 benar, pernyataan 2 benar, memiliki hubungan sebab-akibat.



19



Karena menurut Sridianti (2018), bakteri Rhizobium menyebabkan akar kacangkacangan untuk membentuk bintil akar (pembengkakan) di mana organisme hidup. Tanaman menyediakan bakteri dengan makanan. Sebagai imbalannya, bakteri mengeluarkan senyawa amonium yang diserap dan digunakan oleh kacang-kacangan dan tanaman lain yang ditanam di tanah yang sama. (Ahmad Endar, L1A018015)



9. Berikut adalah tipe bintil akar, kecuali ? A. Globus B. Peanut C. Semi Globus D. Pendek E. Koral



10. Tanaman mampu memenuhi sebagian besar kebutuhan nitogen dari hasil fiksasi N2 SEBAB Bintil akar merupakan organ simbiosis yang mampu melakukan fiksasi N dari udara (Ramadani Ermizal Putri, L1A018026)



11. Fiksasi nitrogen dalam siklus nitrogen dapat dilakukan melalui beberapa cara, kecuali A. Mikroorganisme yang ada di dalam tanah B. Proses industri melalui temperatur dan tekanan yang tinggi C. Mikroorganisme dalam nodul–nodul akar pada tumbuhan leguminose D. Beberapa jenis tumbuhan yang dapat mengabsorbsi langsung gas nitrogen E. Ketika terjadi petir/kilat di langit



12. Nitrat reduktase merupakan protein yang mengandung Mo dan bila terjadi defisiensi Mo maka akan terjadi akumulasi nitrat SEBAB Aktivitas nitrat reduktase berkurang Jawaban (A) pernyataan sebab dan akibat benar, keduanya berhubungan 20



(Syarifah Twienadilla, L1A018035) 13. Perbedaan antara proses asimilasi dengan fiksasi dalam suatu siklus nitrogen adalah … A. Fiksasi merupakan tahapan awal penyerapan nitrogen sebelum asimilasi B. Fiksasi melalui tahapan demineralisasi lebih kompleks jika dibandingkan proses asimilasi C. Asimilasi tidak memerlukan bantuan proses amonifikasi sedangkan fiksasi perlu D. Fiksasi memerlukan bantuan organisme penambat nitrogen sedangkan asimilasi tidak E. Secara umum proses asimilasi berlangsung lebih cepat dibandingkan fiksasi



14. Salah satu bentuk struktur sekunder protein adalah α-helix, dimana bentuk protein terpilin seperti spiral SEBAB Struktur sekunder protein distabilkan oleh ikatan hidrogen. Jawaban (A) pernyataan sebab dan akibat benar, keduanya berhubungan (Fenina Octavia, L1A018006)



DAFTAR PUSTAKA Arkitos, C. 2003. Pra rencana Pabrik Asam Nitrat kapasitas 15000 ton / tahun. Undergraduate thesis. Widya Mandala Catholic University: Surabaya. Dwidjoseputro, D. 1998, Pengantar Fisiologi, Tumbuhan, Gramedia. Jakarta. Effendi, Hefni. 2003. Siklus Nitrogen. Champbell, Reece Mitchell Bologi Edisi Kelima (Terjemahan). Penerbit Erlangga. Jakarta. Diakses tanggal 4 Mei 2019. 21



Harvey Richard A., Denise Ferrier. 2011. Biochemistry 5th Edition. Philadelphia : Lippincott Wiliams Wilkins. Lakitan, B. 1996. Fisiologi pertumbuhan dan Perkembangan Tanaman. PT Raja Grafindo Persada. Jakarta. Diakses tanggal 4 Mei 2019. Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. 2000. Lehninger principles of biochemistry. Worth Publishers: New York. Max. 2011. Ammonia in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 7th Edition. WileyVCH : New York. Purwaningsih, O. 2015. Penggunaan Bakteri Rhizobium Japonicum Untukmeningkatkan Fiksasi Nitrogen Pada Berbagai Kultivar Kedelai. Seminar Nasional Universitas PGRI: Yogyakarta. Sridianti. 2018. Pengertian Fiksasi Nitrogen. https://www.sridianti.com/pengertian-fiksasinitrogen.html. Diakses pada hari Kamis, 6 Mei 2019.



22