2.10.blog.ub.ac.id/riskyap/files/2012/05/nitrogen2.docx · web viewgas estilen yang merupakan hasil...
TRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Nitrogen merupakan salah satu unsur yang paling luas penyebarannya di alam.
Sekitar 3,8×1015 ton N2-molekuler terdapat di atmosfer, sedangkan pada litosfer
terdapat sekitar 4,74 kalinya. Diperkirakan, setiap tahun biosfer menerima
tambahan N netto sebesar 9 juta metrik ton, dari selisih total tambahan melelui
fiksasi biologis dengan total kehilangan akibat denitrifikasi.
Siklus nitrogen dari fiksasi N2-atmosfer secara fisik/kimiawi yang menyuplai
tanah bersama presipitasi, dan oleh mikroorganisme baik secara simbiotik maupun
nonsimbiotik yang menyuplai tanah baik melaliu inangnya maupun setelah mati.
Sel-sel mati ini bersama dengan sisa tanaman/hewan akan menjadi bahan organic
yang siap didekomposisikan dan melalui serangkaian proses mineralisasi
(aminisasi, amonifikasi, dan nitrifikasi) akan melepaskan N-mineral (NH4+ dan
NO3-) yang kemudian di immobilisasi oleh tanaman atau mikrobia.
Gas amoniak hasil proses aminisasi apabila tidak segera mengalami
amonifikasi akan segera tervolatilisasi ke udara, begitu pula dengan gas N2 hasil
denitrifikasi nitrat, keduanya merupakan sumber utama N2-atmosfer. Kehilangan
nitrat dan ammonium melalui mekanisme pelindingan (leaching) merupakan salah
satu penyebab penurunan kadar N di dalam tanah.
Unsur nitrogen di dalam tanaman dijumpai dalam bentuk anorganik atau
organik yang bergabung denagn C, H, O dan kadangkala dengan S untuk
membentuk asam amino , asam nukleat, klorofil, alkanoid, dan basa purin. Unsur
N tersebut berkorelasi sangat erat dengan perkembangan jaringan meristem,
sehingga sangat menentukan pertumbuhan dan perkembangan tanaman
1.2. Tujuan
Untuk mengetahui definisi Nitrogen
Untuk mengetahui berbagai macam proses siklus nitrogen
Untuk mengetahui metabolisme nitrogen
Untuk mengetahui ketersediaan nitrogen dalam tanaman
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 1
Untuk mengetahui gejala yang terjadi pada tanaman akibat kelebihan
dan kekurangan nitrogen
Untuk mengetahui metabolisme asam amino yang berkaitan dengan
nitrogen
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 2
BAB II
PEMBAHASAN2.1. Pengertian Nitrogen
Nitrogen adalah unsur yang diperlukan untuk membentuk senyawa penting di
dalam sel, termasuk protein, DNA dan RNA. Nitrogen adalah komponen utama
dalam semua asam amino, yang nantinya dimasukkan ke dalam protein, protein
adalah zat yang sangat kita butuhkan dalam pertumbuhan. Nitrogen juga hadir di
basis pembentuk asam nukleat, seperti DNA dan RNA yang nantinya membawa
hereditas.
2.2. Proses-Proses Nitrogen
Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen
bebas dapat ditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar
(misalnya jenis polongan) dan beberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga
dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigen dengan bantuan kilat/ petir.
Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam tanah berupa amonia (NH3), ion
nitrit (N02- ), dan ion nitrat (N03- ).Beberapa bakteri yang dapat menambat
nitrogen terdapat pada akar Legum dan akar tumbuhan lain, misalnya Marsiella
crenata. Selain itu, terdapat bakteri dalam tanah yang dapat mengikat nitrogen
secara langsung, yakni Azotobacter sp. yang bersifat aerob dan Clostridium sp.
yang bersifat anaerob. Nostoc sp. dan Anabaena sp. (ganggang biru) juga mampu
menambat nitrogen.
Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk amonia. Amonia diperoleh dari hasil
penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh
bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonas dan Nitrosococcus sehingga menghasilkan
nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri
denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, dan amonia diubah menjadi
nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang
dalam ekosistem. Lihat Gambar.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 3
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 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.
Hampir semua jazad mikro, tumbuhan tinggi dan hewan membutuhkan
nitrogen (amonia,nitrat). Bentuk nitrogen anorganikini begitu juga nitrogen
organik (protein,asam amino,asam nukleat dll.) relatigf sedikit ditemukan di
dalam tanah/air, dan konsentrasinya kadang-kadang merupakan faktor pembatas
bagi pertumbuhan tanaman. Keadaan ini menyebabkan transformasi nitrogen
menjadi hal yang menarik bagi ahli mikrobiologi.
1. Penambatan gas nitrogen (N2)
Simbiosis (Rhizobium,BGA)
Non simbiosis (Azorobacter, Azospirilum).
2. Amonnifikasi nitrogen seluler (Pseudomonas, Bacillus,Proteus)
3. Nutrifikasi a (Nitrosomonas,Notrosococcus), b (Nitrobacter,Nitrococcus)
4. Denitrifikasi (Pseudomonas,Nitrococcus)
5. Mineralisasi
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 4
6. Imobilisasi
7. Petir
Bagfian atas dari daur memperluhatkan cara nhitrogen atmosfer diubah langsung
menjadi benda hidup oleh jazad hidup tanah. Proses selanjutnya setelan N
terpendam dalam tumbuh-tumbuhan sebagai protoplasma dll, diubah kejaringfan
hewan. Bila tumbuhan dan hewan mati dan hancur, jazad hidup saprofit
mengubah nitrogen itu kembali menjadi amonium. Proses ini disebut amonifikasi.
Oksidasi amonia menjadi nitrit (nutrifikasi tahap I) dilakukan oleh Nitrosomonas
dan Nitrosococcus (khemoautotrof). Nitrit yang terbentuk dioksidasi lebih lanjut
(nitrifgikasi tahap II) menjadi nitrat oleh jazad khemoautotrofg lain seperti
Nitrobacter dan Nitrococcus. Beberapa bakteri dapat menggunakan nitrat sebagai
sumber nitrogen seluler melalui proses reduksi. Umumnya disebut reduksi nitrat.
Proses reduksi nitrat menjadi molekul nitrogen (N2) disebut denigfikasi (respirasi
anaerob), tetapi bila nitrat direduksi hanya menjadi nitrit disenut reduksi nitrat.
Bila nitrit direduksi menjadi amonia disebut denitrosigfikasi.
Protein tumbuhan Amonifikasi NH4+ denitrosigfikasi
dan hewan nutrifikasi I
reduksi nitrat
NO2 NO3
Nitriikasi Denitrifikasi
Penambatan Nitrogen
Penambatan nitrogen adalah proses yang menyebabkan nitrogen
bebas digabungkan secara kimia dengan unsur lain. Dalam atmosfer dengan
satuan luas satu acre (0,46 ha) tanah diperkirakan ada 35.000 ton nitrogen
bebas. Walaupun esensial mutlak bagi kehidupan, tidak satu molekulpun dapat
digunakan begitu saja oleh tumbuhan, hewan atau manusia tanpa campur
tangan jazad mikro penambat nitrogen.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 5
Sejumlah jazad mikro tanah dan air mampu menggunakan molekul
nitrogen dalam atmosfer sebagai sumber N. Jazad mikro ini dibagi menjadi
dua kelompok menurut cara penambatan N yang dilakukan yaitu :
2. Penambatan N secara non-simbiotik, yaitu jazad mikro yang mampu
mengubah molekulNmenjadi nitrogen sel secara bebas tanpa tergantung
pada organisme hidup lainnya.
Jazad mikro penambat N itu secara enzimatis menggabungkan N atmosfer
dengan unsur-unsur lain untuk membentuk senyawa N-organik dalam sel hidup.
Dalam bentuk organik ini kemudian N dilepaskan kedalam bentuk terlambat,
tersedia bagi tanaman baik secara langsung maupun melalui aktifitas jasad mikro.
Penambatan N non-simbiotik dapat juga terjadi di atmosfer akibat
halilintar dan nitrogen oksida yan terbentuk oleh pembakaran mesin dapat
mengalami fotokimia dan nitrogen yang terikat dengan cara ini jatuh ke tanah
bersama air hujan.
Penambatan Nitrogen Secara Simbiotik
Dalam sistem ini penambatan molekul nitrogen adalah hasil kerja sama
mutualisme antara tumbuhan (leun dan tumbuhan lain) dengan sejenis bakteri.
Masing-masin simbion secara sendiri-sendiri tidak dapat menambat nitrogen.
Simbiosis antara bakteri dengan tumbuhan, misalnya antara species Rhizobium
dengan legum adalah endosimbiosis, karena berlangsung didalam tumbuhan.
Bakteri hidup dalam sel dan jaringan tumbuhan.
Di dalam tanah, bakteri Rhizobium bersifat organotrof, aerob, bentuk
batang pleomorfi, gram negatif, tidak berspora dan berflagella (1-6). Bakteri ini
mudah tumbuh dalam media biakan khususnya yang mengandung ragi atau
kentang. Suhu optimum antara 25-300C dengan pH optimum 7,0.
Bakteri Rhizobium bila masuk ke dalam sistem perakaran legum
menyebabkan pembentukan bintil akar. Dalam bintil akar bakteri berubah bentuk
menjadi bakteroid (bentul L,V,Y,T,X). Bakteri dalam bentuk bakteroid dapat
menambat nitrogen dari udara dengan bantuan enzim nitrogenase yan dibentuk
bakteri. Rhizobium yang tumbuh dalam bintil akar legum mengambil langsun
nitrogen dari udara. Dengan aktivitas sselam abersama sel tanaman dan bakteri,
nitrogen itu disusun menjadi senyawa nitrogen organik seperti asam amino dan
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 6
polipeptida yang ditemukan dalam tumbuhan, bakteri dan tanah di sekitarnya.
Penyediaan hara nitrogen oleh Rhizobium dapat mencapai 60-75 % dari jumlah
yang dibutuhkan tumbuhan.
Agar mendapatkan keuntungan yang maksimum dari kegiatan Rhizobium,
kita tidak dapat semata-mata tergantung pada infeksi spontan oleh mikroflora
tanah. Banyak tampat yang mengandung Rhizobium yang tidak efektif. Jadi
inokulasi dengan galur bakteri Rhizobium terpilih yang sesuai dengan tanaman
inangnya dan mempunyai daya saing yang tingi terhadap mikroflora asli pada
tanah setempat akan memberikan respons yang sangat nyata.
Penambatan Nitrogen Non-Simbiotik
Penambatan nitrogen secara hayati yang non sinbiotik dilakukan oleh
jasad mikro yang hidup bebas. Menurut Tedja Imas dkk. (1989), beberapa jasad
mikro yang dapat menambat N2 secara non simbiotik adalah Azotobacter. Bakteri
ini bersifat mesofilik dan aerob obligat dengan laju respirasi yang sangat tinggi.
Efisiensi penambatan nitrogen rendah sehinga kurang berarti di alam Species lain
adalah Beijerinckia dan Derxia, bersifat aerobik dan tumbuh baik pada keadaan
asam (sampai pH 3). Bakteri ini umum dijumpai di tanah-tanah trofis.
Ada dua cara yang baik untuk mengukur perubahan nitrogen/penambatan
nitrogen adalah :
1. Penggunaan isotop 15N2 dengan cara ini jazad mikro yang diteliti
ditumbuhkan dengan diberi 15N2 maka akan tergabung ke dalam
protoplasma. Tehnik ini cukup sensitif dan tepat, tapi 15N2 sangat
mahal harganya dan diperlukan alat canggih spektrotometer yang
mahal.
2. Dengan uji redaksi asetilin, metode ini berdasarkan pada prinsip
bahwa jazad mikro yang dapat mereduksi N2 (berikatan 3) juga
dapat mereduksi asetilin (juga berikatan 3).
N = N ------reduksi 2NH3
HC = CH ------reduksi H2N = CH3
Gas estilen yang merupakan hasil reduksi asetelin dapat ditentukan dengan
mudah dengan menggunakan gas kromatografi. Cara ini termasuk sensitif,
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 7
memerlukan substrat (asetelin) yang tidak mahal, dan gas kromatografi
merupakan alat yang umum dipakai di banyak lab.
Faktor-faktor yang mempengaruhi penambatan nitrogen non simbiotik
adalah faktor lingkungan, terutama ciri kimia dan fisika habitatnya (Tedja
Imas,1989). Faktor-faktor tersebut meliputi ketersediaan senyawa nitrogen,
kesediaan nutrigen anorganik, macam sumber energi yang tersedia, pH,
kelembab,dan suhu.
Jazad mikropenambat N2 pada umumnya juga mampu menggunakan
amonium, nitrat, dan senyawa nitroge organik. Amonium lebih disukai dan
bersama-sama dengan senyawa-senyawa yang dapat diubah menjadi amonium
(seperti urea dan nitrat) merupakan penghambat penambatan nitrogfen yang
paling efektif.
Bila jazad mikro penambatan nitrogen ditumbuhkan pada media yang
mengandung garam-garam amonium dan senyawa nitrogen lainnya, beberapa
nutrien anorganik diperlukan dalam jumlah lebih sedikit daipada medium tersebut
bebas dari nitrogen. Dalam penambatan nutrigen diperlukan molibdenum, besi,
calsium dan kobalt dalam jumlah yang cukup.
Bagi jazad heterotrof, tersedianya sumber energi merupakan faktor utama
yang membatasi laju dan besarnya asimilasi N2. Penambatan gula sederhana,
selulosa, jerami, atau sisa-sisa tanaman dengan nisbah C/N yang tinggi
seringsekali meningkatkan dengan nyata transformasi N.
pH mempunyai pengaruh yang nyata, Azotobacter dan Sianobakteri
tergolong sangat peka pada tanah-tanah dengan pH kurang dari 6,0 sedangkan
Beijerinckia tidak peka dan dapat tumbuh dan menambat N2 pada pH 3-9.
Kelembab tanah sering kali menentukan laju penambatan nitrogen dan
kandungan air optimum tergantung pada tanah yang bersangkutan dan jumlah
bahan organik yang tersedia. Bila kelembaban terlalu tinggi maka keadaan aerobik
berubah menjadi anaerobik.
Suhu optimum bagi penambatan nitrogen adalah suhu sedang. Penambatan
terhenti pada suhu beberapa derajat di atas suhu optimum. Di beberapa daerah
beriklim sedang bagian Utara didapati bahwa penambatan nitrogen masih
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 8
berlangsung sekalipun pada musim dingin. Jazad mikro pelakunya diperkirakan
algae atau lumut kerak.
2.2.1. Fiksasi Nitrogen
Fiksasi nitrogen adalah proses alam, biologis atau abiotik yang
mengubah nitrogen di udara menjadi ammonia (NH3). Mikroorganisme
yang mem-fiksasi nitrogen disebut diazotrof. Mikroorganisme ini memiliki
enzim nitrogenaze yang dapat menggabungkan hidrogen dan nitrogen.
Reaksi untuk fiksasi nitrogen biologis ini dapat ditulis sebagai berikut :
N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2
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 (rayap), telah membentuk
asosiasi (simbiosis) dengan diazotrof. Selain dilakukan oleh
mikroorganisme, fiksasi nitrogen juga terjadi pada proses non-biologis,
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 kacang-kacangan. Spesies ini diazotrophs. Sebuah
contoh dari hidup bebas bakteri Azotobacter.
b. Industri fiksasi nitrogen
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
(NH3). Dalam proses Haber-Bosch, N2 adalah diubah bersamaan dengan
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 9
gas hidrogen (H2) menjadi amonia (NH3), 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 N2 dan O2 karena foton dan
terutama petir, dapat memfiksasi nitrogen.
2.2.2. 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.
a. Asimilasi Nitrogen
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.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 10
Ada beberapa sumber nitrogen yang dapat diambil tumbuhan yakni
NO3, NH4+, N-organik dan N2, terutama pada bakteri dan algae tertentu.
Pada tumbuhan tinggi umumnya, sumber nitrogen yang paling banyak
diserab adalah NO3 dan NH4+ dan beberapa N-organik.
Pada tumbuhan tinggi umumnya, sumber terpenting nitrogen
adalah ion nitrat (NO3=) yang diambil dari larutan tanah. Di dalam tanah,
spesiasi ion nitrat tidaklah stabil. Dalam situasi aerobik, ion nitrogen lebih
banyak dalam bentuk nitrat. Sebaliknya, dalam suasana anarobik, nitrat
akan tereduksi secara bertahap menjadi ion amonia (NH4+). Bakteri
nitrifikasi dan denitrifikasi berperan pada proses konversi tersebut. Di
alam dikenal ada banyak bakteri terlibat dalam konversi nitrat menjadi
amonia, atau sebaliknya. Proses-proses pengubahan dari amonia menjadi
nitrat disebut nitrifikasi. Sebaliknya, terjadi peristiwa pengubahan nitrat ,
nitrit menjadi amonia atau N2 yang disebut denitrifikasi. Proses nitrifikasi
melibatkan bakteri nitrosomonas dan nitrobakter. Pada proses pembusukan
dari senyawa N-organik, akan dihasilkan ion-ion amonia, yang prosesnya
disebut amonifikasi.
Yang dibutuhkan dalam asimilasi nitrogen yaitu :
o Memerlukan cadangan sumber energi
o Energi berasal dari fotosintesis
o Reaksi terjadi pada jaringan dan kompartemen sel yang berbeda.
o Berkaitan erat dengan metabolisme karbon.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 11
Nitrat dan amonium merupakan sumber utama nitrogen anorganik
yang diambil oleh akar tanaman tinggi. Bentuk mana yang disukai, jika itu
terjadi, biasanya amonium dibutuhkan pada awal pertumbuhan dan nitrat
kemudian. Kombinasi kedua bentuk tersebut umumnya akan dimanfaatkan
tanaman secara optimal. Beberapa tanaman dapat juga langsung menyerap
urea (Harper, 1984), meskipun kebanyakan urea akan dihidrolisis terlebih
dulu menjadi amonium sebelum diserap tanaman. Proses masuknya nitrat
ke dalam akar tanaman bersama dengan air dan solut terlarut lain secara
aliran massa. Akibatnya, nitrat-N yang tercuci ke bawah perakaran
berpotensi untuk naik ke atas menuju daerah perakaran ketika horison
permukaan mengering dan tanaman memanfaatkan air dari lapisan yang
lebih dalam. Akibat yang lain adalah bahwa tanaman dapat menampakkan
gejala defisiensi N meskipun tanah cukup banyak mengandung N, jika
kelembaban dan akibatnya aliran massa nitrogen menjadi terbatas.
o Sebagian besar amonium harus bergabung ke dalam senyawa organik
dalam akar, sebaliknya nitrat bersifat mobil dalam xilem dan dapat
disimpan dalam vakuola akar, batang, organ-organ penyimpan. Akumulasi
nitrat dalam vakuola penting artinya bagi keseimbangan kation-anion dan
untuk pengaturan secara osmotik, khususnya pada spesies “nitrophilik”
seperti Chenopodium album dan Urtica dioica (Smirnoff dan Stewart,
1985). Namun demikian, agar supaya dapat digabungkan ke dalam
struktur organik serta memenuhi fungsi pentingnya sebagai unsur hara,
maka nitrat harus direduksi terlebih dahulu menjadi amonia. Reduksi dan
assimiliasi nitrat bagi kehidupan tanaman sama pentingnya dengan reduksi
dan asimilasi CO2 dalam fotosíntesis.
Asimilasi Amonium
Sementara nitrat dapat disimpan dalam vakuola tanpa efek
yang merugikan, amonium dan khususnya amonia mitra
keseimbangannya [NH3 (yang larut dalam air) = NH4+ + OH-]
adalah beracun pada konsentrasi yang sangat rendah. Pembentukan
asam amino, amida-amida dan senyawa-senyawa yang terkait
adalah jalan utama detoksifikasi baik ion-ion amonium yang
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 12
diambil oleh akar maupun amonia yang berasal dari hasil reduksi
nitrat atau fiksasi-N2.
Langkah-langkah prinsip dalam asimilasi ion-ion amonium
(Gambar 7-3) yang diberikan melalui akar adalah pengambilan ke
dalam sel-sel akar dan bergabung ke dalam asam amino dan amida-
amida dengan suatu pelepasan proton-proton untuk kompensasi
muatan Perembesan amonia ke membran plasma, dengan
pembebasan proton yang terjadi sebelum perembesan, telah
dibahas sebagai suatu model alternatif (Mengel et al., 1976).
Dari kedua-duanya penemuan bersifat percobaan (Martin,
1970) dan pertimbangan teoritis (Raven dan Smith, 1976) nampak
bahwa hampir semua (menyangkut) amonia yang berasimilasi
ditranslokasi ke tajuk sebagai asam amino, amida-amida, dan
senayawa-senyawa terkait untuk penggunaan lebih lanjut.
Asimilasi amonium dalam akar membutuhkan karbohidrat yang
banyak oleh karena diperlukan untuk skeletons karbon dalam
sintesis asam-asam amino dan amida-amida. Dalam akar juga sama
mengenai asimilasi amonia dari reduksi nitrat atau fiksasi-N.
Transport amonia hasil assimilasi dari akar ke tajuk terjadi
terutama secara eksklusif dalam xilem.
Gambar 7-3. Model asimilasi amonium dalam akar (Raven dan
Smith, 1976)
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 13
Dalam rangka memperkecil kehilangan karbon yang disebabkan
oleh transport nitrogen, senyawa-senyawa yang kaya nitrogen (N/C rasio >
0.4) mengangkut nitrogen hasil asimilasi meninggalkan akar (Wallace dan
Plate, 1965; Streeter, 1979). Satu, dan jarang dua atau lebih, senyawa-
senyawa berikut eksudat akar mendominasi dalam xilem: amida glutamin
(2N/5C) dan asparagin (2N/4C; asam amino arginin (4N/6C); dan ureida
allantoin (4N/4C). Sesuai juga dengan model ekonomi karbon ini, dalam
transport phloem menuju pembentukan buah, yang merupakan sink non-
fotosintesis, asam-asam amino dengan N/C rasio > 0.4 adalah bentuk
transport nitrogen yang dominan (Pate, 1973).
Senyawa nitrogen organik yang rendah berat molekulnya
digunakan secara dominan untuk transport jarak jauh atau untuk disimpan
dalam sel individu berbeda-beda diantara famili tanaman (Tabel 7-3). Pada
kacang-kacangan umumnya dan pada kedelai khususnya, sebagian besar
transport nitrogen hasil fiksasi oleh nodul akar digabungkan ke dalam
ureida allantoin dan asam allantoin (Layzell dan LaRue, 1982).
Meskipun lokasi asimilasi amonia berbeda (akar, nodul akar, dan
daun) enzim kunci yang terlibat adalah glutamine synthetase dan
glutamate synthase (Gambar 7-4). Kedua enzim itu telah ditemukan di
dalam akar, dalam kloroplas, dan dalam mikrorganisma pemfiksasi-N, dan
bukti meyakinkan bahwa asimilasi amonia itu paling banyak jika tidak
semua berasal dari pengambilan amonium, fiksasi-N, reduksi nitrat, dan
fotorespirasi yang dimediasi oleh jalur glutamine synthetase-glutamate
synthase.
Dalam jalur ini asam amino glutamate bertindak sebagai akseptor
untuk amonia, dan amida glutamine dibentuk. Glutamine synthetase
mempunyai suatu gaya affinitas sangat tinggi untuk amonia (Nilai Km
rendah) dan dengan begitu mampu untuk memasuki amonia sekalipun
konsentrasinya sangat rendah. Ini diaktifkan oleh pH tinggi dan
konsentrasi ATP dan magnesium yang tinggi, dan semua tiga factor itu
ditingkatkan dalam stroma kloroplas atas kekuatan cahaya..
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 14
Dalam kloroplas, reduksi nitrat dengan rangsangan cahaya dan
asimilasi amonia yang ditingkatkan kemudian secara efisien dikoordinir
untuk mencegah level amonia menjadi terlalu tinggi sehingga mereka
melepaskan fotofosforilasi (Krogmann et al., 1959). Keracunan amonia
mungkin berhubungan dengan perembesan amonia yang cepatmelintasi
biomembran. Sebagai contoh, amonia, tetapi bukan amonium ( NH4),
berhamburan dengan cepat melintasi membran terluar dari kloroplas
(Heber et al., 1974).
Enzim yang lain dalam asimilasi amonia, glutamate synthase
(GOGAT), mengkatalisasi perpindahan kelompok amida (-NH2) dari
glutamine ke 2-oxoglutarate, yang belakangan adalah produk dari siklus
asam trikarboksilik (Gambar 7-4). Untuk reaksi ini baik ferredoxin yang
direduksi (dari photosystem) atau NAD(P)H (dari respirasi) diperlukan
untuk pemeliharaan siklus asimilasi amonia dan yang selebihnya dapat
digunakan untuk biosynthesis protein, sebagai contoh. Sebagai suatu
alternatif, manakala pemberian amonia besar, kedua-duanya molekul
glutamate dapat bertindak sebagai suatu akseptor amonia, dan satu
molekul glutamine meninggalkan siklus itu.
Jalur alternatif untuk asimilasi amoniuam
Glutamate dehydrogenase (GDH) mengkatalisis reaksi dua arah
untuk membentuk glutamat atau membuang gugus amina dari glutamat .
2-oxoglutarate + NH4+ + NAD(P)H glutamate + H2O + NAD(P)+
Meskipun reaksi diatas nampak seperti asimilasi amonium menjadi
glutamat, namun berbagai bukti menunjukkan bahwa GDH bukanlah
untuk menggantikan GS dan GOGAT namun lebih banyak berperan
sebagai mekanisme untuk memisahkan amina (de-aminasi) dari glutamat.
Setelah terasimilasi menajdi glutamin dan glutamat, nitrogen kemudian
diinkorporasikan menjadi asam amino lain melalui reaksi transaminasi.
Enzim yang berperan dalam hal ini secara umum dikenal sebagai
aminotransferase. Salah satu contoh enzim ini adalah aspartate
aminotransferase (AAT) yang mengkatalis reaksi
Glutamate + oxaloacetate aspartate + 2-oxoglutarate
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 15
Dimana gugus amina dari glutamat ditransfer menuju atom C-2
asam keto (Gambar 7-4 tengah bawah). Aspartate adalah asam amino yang
berpartisipasi dalam malate-aspartate shuttle dari mitokondria dan
kloroplas menuju sitoplasma, dan dalam transport karbon dari sel mesofil
menuju sel seludang pembuluh (bundle sheath) pada fiksasi karbon
tanaman C4.
Gambar 7-4. Struktur dan lintasan senyawa terkait dengan
metabolisme amonium. Amonium dapat diasimilasi melalui
kombinasi dengan glutamat untuk membentuk glutamin (Glutamin
sintetase) atau dengan aminasi reduktis 2-oxoglurata yang
menghasilkan glutamat (glutamat dehidrogenase). Dua glutamat
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 16
dihasilkan dari glutamin dan 2-oxoglutarat (glutamat sintase).
Donor elektron (kofaktor tereduksi) diperlukan dalam reaksi
tersebut: feredoksin pada daun hijau dan NADH pada jaringan
non-fotosintetik.
Nitrogen ditransfer dari glutamin atau glutamat menjadi asam
amino lain melalui reaksi transaminasi
Semua reaksi transaminasi memerlukan kofaktor pyridoxal
phosphate (vitamin B6). Aminotransferase ditemukan dalam
sitoplasma, kloroplas, mitokondria, glioksisom, dan peroksisom.
Enzim yang terdapat dalam klorplas kemungkinan berperan
penting dalam biosintesis asam amino karena daun tanaman atau
kloroplas yang diisolasi jika dipajankan pada CO2 diberi label
radiokatif akan segera menggabungkan C berlabel menjadi
glutamat, asapartat, alanin, serin, dan glisin.
Peran asparagin dan glutamin sebagai jembatan antara
metabolisme N dan C
Asparagin, yang diisolasi dari asparagus pada awal 1806,
merupakan bentuk amida pertama yang teridentifikasi. Fungsinya
bukan sebagai prekursor protein, namun sebagi senyawa kunci
untuk transport dan penyimpanan nitrogen karena stabilitasnya dan
tingginya rasio nitrogen:karbon (2N:4C untuk asparagin vs. 2N:5C
untuk glutamin atau 1N:5C untuk glutamat). Jalur utama sintesis
asparagin mencakup transfer amida nitrogen dari glutamin ke
aspartat (Gambar 7-4 bawah):
Glutamine + aspartate + ATP asparagine + glutamate +
AMP + PPi
Reaksi tersebut dikatalis oleh asparagine synthetase (AS),
yang banyak ditemukan pada sitoplasma daun dan akar dan dalam
nodul pemfiksasi N. Intensitas cahaya dan kandungan karbohidrat
yang tinggi, kondisi yang merangsang aktivitas glutamine
synthetase (GS) dan Fd-glutamate synthase (Fd-GOGAT),
menghambat ekspresi gen dan aktivitas asparagine synthetase
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 17
(AS). Pengaturan yang berlawanan pada jalur yang saling bersaing
ini membantu keseimbangan antara metabolisme karbon dan
nitrogen dalam tanaman. Kondisi cukup energi (cahaya dan
karbohidrat tinggi) menstimulir GS dan GOGAT, menghambat AS,
sehingga mendorong asimilasi N menjadi glutamin dan glitamat,
senyawa yang kaya akan karbon dan berpartisipasi dalam sintesis
bahan tanaman baru. Sebaliknya, keterbatasan energi menghambat
GS dan GOGAT, menstimulir AS, sehingga mendorong asimilasi
N menuju asparagin, senyawa yang kaya nitrogen dan cukup stabil
untuk transport jarak jauh atau untuk disimpan dalam jangka waktu
lama (asparagine is stable for long-distance transport or long-term
storage).
2.2.3. Amonifikasi
Jika tumbuhan atau hewan mati, nitrogen organik diubah menjadi
amonium (NH4+) oleh bakteri dan jamur. Sebagian besar keberadaan N2
di dalam tanah dalam bentuk molekul anorganik. Organisme yang sudah
mati diuraikan melalui proses hidrolisis yang menyebabkan protein terurai
menjadi asam amino. Proses ini disebut deaminasi. Proses selanjutnya,
asam amino yang sudah terbentuk dikonversi menjadi ammonia (NH3) dan
proses ini disebut amonifikasi. Amonifikasi dibantu oleh beberapa
mikroorganisme seperti bakteri dan jamur.
Amonia merupakan senyawa dalam bentuk gas, pada tanah yang
kering mudah menguap, sebaliknya pada tanah yang lembab/basah
ammonia terlarut dalam air dan membentuk ion ammonium (NH4+ ).
Selanjutnya ion amonium dapat digunakan oleh bakteri dan tumbuhan
untuk sintesa asam amino.
Walaupun demikian, pemanfaatan nitrogen oleh kebanyakan
tumbuhan umumnya dalam bentuk NO3- karena NH4
+ akan dioksidasi
menjadi NO3- oleh bakteri nitrifikasi. Disamping itu ammonium/ammonia
ini bersifat racun bagi tumbuhan dan dapat menghambat pembentukan
ATP di kloroplas dan mitokondria.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 18
2.2.4. 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 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."
Nitrifikasi merupakan proses oksidasi ion amonium menjadi nitrat
(NO3-). Proses ini dilakukan oleh bakteri autotrof yang termasuk ke dalam
genus Nitrosomonas dan Nitrobacter. Nitrosomonas akan mengoksidasi
ion ammonium menjadi nitrit (NO2-) dan selanjutnya Nitrobacter akan
mengoksidasi nitrit (NO2-) menjadi nitrat (NO3
-).
Tumbuhan cenderung menggunakan nitrat (NO3-) sebagai sumber
nitrogen untuk sintesa protein karena nitrat memiliki mobilitas yang lebih
tinggi di dalam tanah dan lebih mudah terikat dengan akar tanaman
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 19
daripada amonium. Meski sebenarnya ion amonium lebih efisien sebagai
sumber nitrogen karena memerlukan lebih sedikit energi untuk sintesa
protein, tetapi karena bermuatan positif maka lebih sulit dimanfaatkan
karena sudah lebih dulu terikat oleh tanah lempung yang bermuatan
negatif.
2.2.5. 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. 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 N O3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O
Dalam beberapa tahap selama berlangsungnya siklus nitrogen,
terjadi pembebasan dan pengikatan N2 bebas (atmospheric nitrogen).
Terlepasnya N2 bebas akibat suatu proses yang terjadi dalam siklus
nitrogen disebut denitrifikasi, yang pada dasamya adalah konversi nitrat
menjadi gas nitrogen. Beberapa spesies dalam genus Pseudomonas
merupakan kelompok bakteri terpenting yang melaksanakan proses
denitrifikasi dalam tanah.
Sejumlah jenis yang lain seperti Paracoccus, Thiobacillus, dan
Bacillus juga mampu melakukan proses denitrifikasi. Bakteri-bakteri yang
termasuk ke dalam kelompok ini adalah pada umumnya merupakan
mikroorganisme yang aerob, tetapi pada kondisi anaerob mereka juga
mampu menggunakan nitrat dalam situasi dimana oksigen berperan
sebagai akseptor elektron akhir (anaerobic respiration). Proses
denitrifikasi tidak menguntungkan bagi kesuburan tanah karena terjadi
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 20
pembebasan N2 ke atmosfer dari senyawa nitrat.
2.2.6. 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
2.3. Reduksi Nitrogen
Mekanisme proses reduksi nitrat yang diakui akhir-akhir ini dalam
tanaman tingkat tinggi maupun rendah adalah sebagai berikut:
NO3 + 8H+ + 8e- NH3 + 2H2O + OH-
Beberapa bakteri menggunakan nitrat sebagai penerima elektron pada kondisi
anaerobik (respirasi nitrat) dan menghasilkan gas-gas nitrogen (N2 dan NOx),
suatu proses yang menyebabkan hilangnya nitrogen dari dalam tanah melalui
denitrifikasi. Reduksi nitrat menjadi amonia dimediasi oleh dua enzim yang
berbeda: nitrat reduktase, yang mereduksi nitrat menjadi nitrit; dan nitrit
reduktase, yang mereduksi nitrit menjadi amonia.
Nitrat reduktase adalah suatu enzim kompleks dengan berat molekul
~200.000 pada tanaman tingkat tinggi, dan sampai 500.000 pada tanaman tingkat
rendah. Enzim ini mengandung beberapa kelompok prostetik, termasuk FAD,
sitokrom, dan molibdenum. Terlokalisasi dalam sitoplasma tanaman tingkat tinggi
dan memerlukan baik NADH maupun NADPH sebagai donor elektron. Diduga
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 21
bahwa selama proses reduksi elektron-elektron secara langsung ditransfer dari
molibdenum ke nitrat.
2.4. Agen yang Berperan Dalam Siklus Nitrogen
Dibawah ini adalah agen-agen yang berperan dalam siklus nitrogen.
1. Fiksasi nitrogen oleh bakteri dapat memperbaiki atmosfer gas nitrogen (N
2) untuk amonia (NH 3) dalam reaksi pengurangan. Persamaan untuk
reaksi ini adalah: N 2 + 3H 2 —-> 2NH 3 Beberapa bakteri pengikat
nitrogen yang hidup bebas di tanah misalnya Azotobacter Beberapa,
misalnya Rhizobium, membentuk mutualistic (simbiotik) hubungan
dengan legum (kacang polong, kacang-kacangan, semanggi dll, Ini adalah
anggota Papilionaceae) di mana bakteri hidup di nodul pada akar tanaman.
Bakteri menyediakan tanaman dengan tetap nitrogen, tanaman
memberikan bakteri dengan karbohidrat. Gambar di bawah ini
menunjukkan nodul akar dalam anggota Papilionaceae
2. Decomposer adalah bakteri dan jamur yang membusuk bangkai binatang
dan tanaman dan, dalam proses mengkonversi nitrogen organik mereka
(yang ditemukan dalam protein dan asam nukleat) menjadi anorganik,
amonium (NH 4 +) .
3. Bakteri nitrifikasi adalah bakteri yang interconvert molekul nitrogen
anorganik: Nitrosomonas mengubah amonium (NH 4 +) ke nitrit (NO 2
-) ,Nitrobacter mengubah nitrit (NO 2 -) menjadi nitrat (NO 3 -) .Secara
bersama proses-proses ini dikenal sebagai nitrification .Nitrification hanya
terjadi bila kondisi tanah tidak sesuai yaitu berawa, terlalu dingin atau
terlalu asam. Jika kondisi tanah yang tidak sesuai terakumulasi amonium
4. Baktei denitrifikasi adalah bakteri yang mengubah nitrat (NO 3 -) untuk
nitrit (NO 2 -) dan kemudian ke gas nitrogen (N 2) .Bakteri ini
mengkonversi nitrogen anorganik ke dalam atmosfer nitrogen; suatu
proses yang dikenal sebagai denitrifikasi. Contoh bakteri ini adalah
Pseudomonas, Thiobacillus dll. Ini adalah denitrifikasi bakteri anaerob
sehingga hanya terjadi dalam kondisi anaerob (misalnya ketika tanah
berawa
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 22
5. Fiksasi nitrogen oleh energi yang tinggi yang tersedia dari petir yang
cukup untuk memperbaiki atmosfer nitrogen nitrat
6. Haber-Bosch: ini adalah sepenuhnya proses buatan yang digunakan dalam
pembuatan pupuk amonium – tetapi karena kontribusi terhadap total
fiksasi nitrogen atmosfer sering termasuk
7. Pencucian: hilangnya nitrat dari tanah sebagai akibat dari hujan lebat
turun. Nitrat larut ke dalam tubuh air (misalnya danau) memperkaya
mereka dan membuat mereka lebih subur. Proses ini dikenal sebagai
eutrofikasi.
2.5. Nitrogen Tersedia Bagi Tanaman
Nitrogen yang dapat di manfaatkan oleh tanaman tinggkat tingggi
khususnya tanaman budidaya dapat di bedakan atas empat kelompok utama yaitu:
1. Nitrogen nitrat (NO3-),
2. Nitrogen ammonia (NH4+),
3. Nitrogen molekuler (N2) dan
4. Nitrogen organic.
Namun tidak semua dari bentuk – bentuk nitrogen ini dapat tersedia bagi
tanaman. Umumnya tanaman pertanian memanfaatkan nitrat dan ammonium
kecuali pada beberapa tanaman legume yang mampu memanfaatkan N bebas
melalui proses fiksasi N dengan bersimbiosis dengan bakteri Rhizobium. N
organic kadang – kadang dapat dimanfaatkan oleh tanaman tinggi akan tetapi
tidak mampu mencukupi kebutuhan N tanaman dan umumnya dimanfaatkan lewat
daun melalui pemupukan lewat daun.
Bagi tanaman pertanian terutama manfaat N dalam bentuk ion nitra, akan
tetapi dalam kondisi tertentu khususnya pada tanah – tanah masam dan kondisi an
aerobic tanaman akan memanfaatkan N dalam bentuk ion ammonium (NH4+).
Pada tanaman – tanaman yang tumbuh aktif dengan cepat nitrat yang terabsopsi
oleh akar tanaman akan terangkut dengan cepat ke daun mengikuti alur
transpirasi. Oleh karena itu metabolisme nitrat pada kebanyakan tanaman
budidaya umumnya terjadi didaun walaupun metabolisme nitrogen juga terjadi
pada akar tanaman.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 23
2.6. Peranan Nitrogen Bagi Pertumbuhan Tanaman
Nitrogen adalah unsur yang sangat penting bagi petrumbuhan tanaman. Nitrogen
merupakan bagian dari protein, bagian penting konstituen dari protoplasma,
enzim, agen katalis biologis yang mempercepat proses kehidupan. Nitrogen juga
hadir sebagai bagian dari nukleoprotein, asam amino, amina, asam gula,
polipeptida dan senyawa organik dalam tumbuhan. Dalam rangka untuk
menyiapkan makanan untuk tanaman, tanaman diperlukan klorofil, energi sinar
matahari untuk membentuk karbohidrat dan lemak dari C air dan senyawa
nitrogen.
Adapun peranan N yang lain bagi tanaman adalah :
Berperan dalam pertumbuhan vegetatif tanaman.
Memberikan warna pada tanaman,
Panjang umur tanaman
Penggunaan karbohidrat.
Dll.
2.7. Gejala Kelebihan dan Kekurangan Nitrogen pada Tanaman
Kekurangan salah satu atau beberapa unsur hara akan mengakibatkan
pertumbuhan tanaman tidak sebagaimana mestinya yaitu ada kelainan atau
penyimpangan-penyimpangan dan banyak pula tanaman yang mati muda yang
sebelumnya tampak layu dan mengering.
Adapun gejala yang ditimbulkan akibat dari kekurangan dan kelebihan unsure N
bagi tnaman adalah sebagai berikut:
1. Efek kekurangan unsur N bagi Tanaman.
Pertumbuhan kerdil,
Warna daun menguning,
Produksi menurun,
Fase pertumbuhan terhenti,
Kematian.
2. Efek dari kelebihan unsur N bagi tanaman.
Kualitas buah menurun.
Menyebabkan rasa pahit (spt pada buah timun).
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 24
Produksi menurun,
Daun lebat dan pertumbuhan vegetative yang cepat,
Menyebabkan keracunan pada tanaman.
2.8.Metabolisme nitrogen pada biji yang berkecambah
Di sel penyimpanan pada semua biji, protein cadangan disimpan pada
struktur ikatan membran yang dinamakan benda protein. Benda protein
bukan merupakan protein murni, tapi juga mengandung banyak fosfat,
magnesium dan kalsium cadangan biji.
Fosfat diesterifikasi menjadi enam gugus hidroksil dari gula alkohol enam
karbon yang dinamakan myoinositol. Produk dari esterifikasi disebut fitat,
dan ionisasi H+ dari guguis fosfat memungkinkan Mg2+, Ca2+, Zn2+, dan
mungkin K+ untuk membentuk garam yang dinamakan fitin atau
kadangkala fitat. Fitin biasanya menempel pada protein di benda protein.
Imbibisi air oleh biji kering menyebabkan berlangsungnya berbagai reaksi
kimia sehingga terjadi perkecambahan dan perkembangan kecambah.
Protein di dalam benda protein dihidrolisis oleh proteinase (protease) dan
peptidase menjadi asam amino dan amida.
Beberapa asam amino dan amida yang dilepaskan selama proses hidrolosis
protein di dalam biji akan digunakan untuk membentuk protein baru yang
khusus, asam nukleat dsb. Tapi sebagian besar diangkut melalui floem ke
sel yang sedang tumbuh di akar dan tajuk.
Akar muda segera menyerap NO3- dan NH4+, dan asimilasi nitrogen
untuk tumbuhan yang sedang tumbuh lainnya mulai lagi.
2.9.Reaksi yang Umum Terjadi pada Metabolisme Asam Amino
Transaminasi.
Deaminasi.
Pembentukan urea.
2.9.1.Transaminasi
Katalis: enzim aminotransferase.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 25
Mentransfer gugus amino ke α-ketoglutarate hasilnya: asam keto +
glutarate.
Enzim aminotransferase.
o Koenzim: piridoksal fosfat.
o Yg ada pada seluruh jaringan:
1. Alanin transaminase
Piruvat + asam α-amino jadinya: L-alanin + Asam α-keto.
2. Glutamate transaminase
α-ketoglutarat + asam α-amino jadinya: L-glutamat + asam α-keto.
Lysine, threonine, proline, dan hidroksiproline tidak mengalami
transaminasi.
2.9.2.Deaminasi
Pemindahan gugus amino dan ion H.
Hasilnya ammonia (NH3).
Rangka karbonnya mengalami:
o Dioksidasi pada siklus krebs.
o Digunakan untuk glukoneogenesis.
o Diubah menjadi asam lemak.
Enzimnya glutamate dehidrogenase:
o Reversibel.
o Sebagai enzim pengendali.
o Inhibitor alosterik: ATP, GTP, NADH.
o Aktivator alosterik: ADP, GDP.
o Didapat di berbagai jaringan dalam sitoplasma dan mitokondria.
Enzimnya glutamate dehidrogenase:
2.9.3. Siklus Urea
Ammonia yang toxic (NH3) diubah menjadi ammonium ion (NH4+).
NH4+ diubah di liver jadi urea.
Urea terdiri dari 2 NH2:
o 1 dari NH4+.
o 1 dari aspartate.
Urea diekskresikan ke urin.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 26
Jika asam amino berlebihan:
Untuk sintesis protein.
Untuk sintesis produk khusus.
Kalau masih sisa, dikatabolisme:
o N untuk urea.
o Kerangka karbon untuk senyawa amfibolik (bisa dipecah jadi
energi atau sintesis glukosa).
o Senyawa amfibolik yang terbentuk dapat digunakan untuk sintesis
lemak dan glikogen.
2.10. Pembuatan tumbuhan yang mampu mengikat Nitrogen (N2) sendiri
Nitrogen merupakan elemen esensial dari protein, DNA, dam RNA. Pertumbuhan
tanaman juga sangat dipengaruhi oleh nitrogen ini. Pada tumbuhan tertentu,
terutaa polong-polongan, di akarnya sering terdapat akar yang menggelembung,
yang disebut nodul. Di dalam nosul ini terdapat bakteri Rhizobium yang
bersimbiosis. Bakteri Rhizobium dapat mengikat nitrogen dan mengubah nitrogen
menjadi nitrat. Prosese tadi disebut fiksasi nitrogen. Akibat adanya simbiosis ini,
tumbuhan polong-polongan tercukupi kebutuhan nitratnya, dan sebaliknya
menghasilkan gula bagi bakteri.
Serelia atau tumbuhan rumput-rumputan berbiji merupakan tumbuhan yang
mensuplai 50% makanan pokok penduduk dunia. Namun, serelia tidak memiliki
bakteri yang dapat memfiksasi nitrogen di akarnya, sehingga kebutuhan
nitrogennya dapat diperoleh dari pupuk buatan. Kelebihan pupuk buatan dapat
dapat terbilas air dan mencemari air minum dan lain-lain.
Dengan adanya bioteknologi, para ilmuwan mencoba mengembangkan tumbuhan
yang akarnya dapat bersimbiosis dengan Rhizobium. Ide ini melibatkan 12 gen
nif, yang dapat mengontrol fiksasi nitrogen. Para ilmuwan mencoba menyisipkan
gen nif kepada :
1. tumbuhan serelia yang sesuai,
2. bakteri yang berasosiasi dengan tumbuhan serelia,
3. plasmid Ti dari Agrobacterium dan kemudian menginfeksi tumbuhan yang
sesuai dengan bakteri yang telah direkayasa.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 27
Para ilmuwan memanfaatkan rekayasa genetika untuk mengisolasi gen yang
diinginkan kemudian menyisipkannya ke sel organisme lain yang dikehendaki.
Dalam penyisipan ini dilibatkan bakteri Agrobacterium tumefaciens untuk
memasukkan gen ke sel-sel tumbuhan.
Sel Agrobacterium memiliki untaian DNA yang disebut plasmid Ti [T=tumor,
i=including]. Gen yang dikehendaki disisipkan dulu ke plasmid Ti. Tumbuhan
yang diinfeksi Agrobacterium mengalami tumor ganas yang disebabkan oleh Ti.
Tumor ini disebut crown gall yang sel-sel didalamnya masing-masing
mengandung plasmid Ti yang telah disisipkan gen. tumbuhan dapat dikulturkan
dari potongan kecil jaringan dari crown gall. Tumbuhan hasil kultur ini telah
memiliki sifat yang berbeda karena telah disisipkan gen, jadi sifat gen akan sesuai
dengan gen yang disisipkan.
Nitrogen memasuki ekosistem melalui 2 jalur alami:
Melalui hujan dan debu nitrogen.
Melalui fiksasi nitrogen, yang dilakukan oleh mikroba prokariotik dengan
kemampuan mengubah N2 menjadi senyawa yang dapat digunakan untuk
mensintesis senyawa organik bernitrogen seperti asam amino.
Sumber utama:
– Atmosfer (80%)
– Tanaman
– Bahan organik tanah
– Industri pupuk nitrogen kimiawi menyumbang pada daur nitrogen
di alam.
– Terjadi halilintar di udara ternyata dapat menghasilkan zat Nitrat,
yang kemudian di bawa air hujan meresap ke bumi.
– Sisa-sisa tanaman dan bahan-bahan organis.
– Mikrobia atau bakteri-bakteri.
– Pupuk buatan (Urea, ZA dan lain-lain)
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 28
– Hasil dari fiksasi nitrogen adalah amonia, yang di dalam tanah
akan berubah menjadi amonium setelah mengalami penambahan
ion H + (amonifikasi), yang dapat digunakan oleh tanaman.
• Beberapa bakteri aerob dapat mengoksidasi amonium
menjadi nitrat, melalui proses yang disebut nitrifikasi.
• Nitrat juga dapat digunakan oleh tanaman.
• Beberapa bakteri dapat menggunakan oksigen dari nitrat
dan melepaskan N2 ke udara (denitrifikasi).
Fungsi Nitrogen bagi tanaman adalah:
Diperlukan untuk pembentukan atau pertumbuhan bagian vegetatif
tanaman, seperti daun, batang dan akar.
Berperan penting dalam hal pembentukan hijau daun yang berguna
sekali dalam proses fotosintesis.
Membentuk protein, lemak dan berbagai persenyawaan organik.
Meningkatkan mutu tanaman penghasil daun-daunan.
Meningkatkan perkembangbiakan mikro-organisme di dalam
tanah.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 29
BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
Nitrogen merupakan salah satu unsure 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 ammonium. 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).
3.2. Saran
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 30
DAFTAR PUSTAKA
Campbell, N.A, J.B Reece, L.G.Mitchell. 2003. Biologi Edisi Kelima jilid II.
Jakarta:Erlangga.
Hanafiah, Kemas Ali. 2007. Dasar-Dasar Ilmu Tanah. Jakarta: Rajawali Press.
Miftahudin, et.al. 2008. Fisiologi Tumbuhan Dasar. Bogor: Departemen Biologi
FMIPA IPB.
Biokimia Tanaman-Nitrogen Page 31