NITROGEN REDUCTION & ASSIMILATION KRT

NITROGEN REDUCTION &

ASSIMILATION

Asimilasi & Reduksi Nitrogen

• Organisme hidup mengandung sejumlah besar nitrogen yang tergabung dalam protein, asam nukleat dan banyak biomolekul lain.

• Nitrat diassimilasi dalam daun dan juga akar

• Umumnya pada tanaman herba, assimilasi nitrat terutama terjadi dalam daun, meskipun asimilasi nitrat juga sering terjadi dalam akar pada saat awal pertumbuhan tanaman

• Sebaliknya, pada tanaman berkayu (pohon,

semak) seperti kacang kedelai, assimilasi nitrat terutama dalam akar

Asimilasi & Reduksi Nitrogen

Selama pertumbuhan organisme

autotroph, nitrogen dibutuhkan untuk

pembentukan sel dari nitrogen

anorganik melalui dua cara:

1. Fiksasi nitrogen dari udara;

2. Assimilasi nitrate dari ammonia

yang terkandung dalam air atau

tanah.

Most plants depend on bacteria to

supply nitrogen

Asimilasi Nitrogen

• Bagi tumbuhan yang tidak dapat

menambat N₂, sumber nitrogen utamanya adalah NO₃- _{dan NH}

4+.

• Tanaman dan banyak spesies asli

menyerap nitrogen dalam bentuk NO₃-_,

sebab NH₄+ _{segera dioksidasi menjadi}

NO₃- _{oleh bakteri nitrifikasi.}

• Tapi, komunitas konifer dan rumputan

menyerap sebagian besar nitrogen dalam bentuk NH₄+ _{sebab nitrifikasi dihambat}

oleh pH tanah yang rendah atau oleh tanin dan senyawa fenol

Nitrate assimilation in the

roots and leaves of a plant.

• Nitrat harus diubah menjadi NH₄+ _{di dalam tumbuhan}

sebelum nitrogen masuk ke asam amino dan senyawa nitrogen lainnya

• Nitrate diambil dari tanah oleh akar. Nitrat dapat

disimpan sementara dalam vacuola dari sel akar atau

direduksi dalam sel epidermis dan cortex dari akar

• Kelebihan nitrat dibawa via pembuluh xylem ke sel

mesophyll, dimana nitrate dapat disimpan sementara dalam vacuole.

• Nitrate direduksi menjadi nitrite dalam cytosol dan kemudian nitrite direduksi lebih lanjut dalam

chloroplast menjadi

NH4+_{, dari mana asam}

amino terbentuk

• NH4+ _{ini digunakan untuk}

mensintesis glutamine dan asparagine (Secara kollectif dinamai amida in Gabr. 10.1).

• Dua asam amino (glutamine dan asparagine) dapat dipindahkan ke daun melalui pembuluh xylem.

• Tetapi pada saat kapasitas asimilasi nitrat

dalam akar berlebihan, nitrat dikeluarkan dari akar ke dalam pembuluh xylem dan terbawa ke daun akibat transpirasi.

• Sejumlah besar nitrat dapat disimpan dalam daun pada vakuola.

• Terkadang penyimpanan vakuola dapat habis karena asimilasi nitrat di siang hari dan terisi lagi pada saat malam hari

• Sebagai contoh, daun bayam memiliki

kandungan nitrat tertinggi ditemukan pada pagi hari.

Tempat asimilasi nitrat ?

• Baik akar maupun tajuk memerlukan senyawa nitrogen organik, tapi pada organ manakah NO₃- _{direduksi dan}

digabung dalam senyawa organik? • Akar beberapa tumbuhan dapat

mensintesis semua nitrogen organik yang diperlukan dari NO₃-_{, sedangkan akar}

tumbuhan lainnya bergantung pada tajuk untuk memenuhi kebutuhan nitrogen

organiknya.

• Proses keseluruhan reduksi NO₃- _menjadi

NH₄+ _{yang bergantung pada energi}

dirangkum pada :

• Nitrate dalam mesophyll cells direduksi menjadi nitrite oleh nitrate reductase yang ada dalam cytosol dan selanjutnya menjadi NH4+_{oleh nitrite reductase}

Nitrate is reduced to nitrite in the cytosol

• Reaksi-ini-terjadi dalam cytosol di luar setiap organela.

• Reduksi nitrat sebagian besar menggunakan NADH sebagai

reduktan, meskipun beberapa tumbuhan yang mengandung nitrate reductase bereaksi dengan NADPH persis sebagaimana NADH.

• Nitrate reductase (NR) pada tanaman tinggi terdiri dari dua sub unit yang identik. The molecular mass of each subunit varies from 99 to 104 kDa, depending on the species.

• Seiap subunit mengandung satu electron transport chain (Fig. 10.2) yang terdiri atas satu molekul flavin adenine dinucleotide (FAD), satu heme of the cytochrome-b type (cyt-b557), dan satu cofactor containing molybdenum

The reduction of nitrite to ammonia

proceeds in the plastids

• Reduksi nitrite menjadi ammonia membutuhkan enam elektron

• Reaksi ini dikatalisis oleh satu enzim, yaitu: the nitrite reductase (Fig.10.4), yang banyak terdapat dalam plastids. Enzim ini memanfaatkan reduced

ferredoxin as electron donor, yang disediakan oleh photosystem I sebagai

The fixation of NH4+ proceeds in the

same way as in photorespiration

The fixation of NH4+ proceeds in the same way

as in photorespiration (lanjutan)

• Glutamine synthetase dalam chloroplasts

memindahkan NH4+ _{yang baru terbentuk menggunakan}

ATP pada glutamate, membentuk glutamine (Fig. 10.6). • Reaksi yang sama mengikat NH4+ _{yang dilepas selama}

photorespiration.

• Karena tingginya laju fotorespirasi jumlah NH4+

dihasilkan oleh oksidasi glycine sekitar 5 sampai 10 kali lebih tinggi daripada jumlah NH4+ _{yang dihasilkan dari}

asimilasi nitrate.

• Sehingga hanya sejumlah kecil sintesis glutamine dalam daun yang terlibat dalam nitrate assimilation.

• Daun juga mengandung isoenzyme dari glutamine synthetase dalam cytosol

The fixation of NH4+ proceeds in the same way

as in photorespiration (lanjutan)

• Glutamine yang terbentuk dalam chloroplasts dikonversi via glutamate synthase (juga disebut

glutamine-oxoglutarate amino transferase, abbreviated GOGAT), oleh reaksi dengan α-ketoglutarate menjadi dua molekul glutamate dengan ferredoxin sebagai reductant.

• Beberapa chloroplasts dan leucoplasts juga

mengandung satu NADPH-dependent glutamate synthase.

• Glutamate synthases dihambat oleh analog substrate azaserine (Fig. 10.7), yang beracun pada tanaman

• α-Ketoglutarate, yang dibutuhkan untuk reaksi glutamate synthase, dipindahkan ke dalam chloroplasts oleh suatu specific translocator dan glutamate yang terbentuk

dipindahkan keluar chloroplasts masuk dalam cytosol oleh translocator lain.

Nitrate assimilation also takes place

in the roots

• Asimilasi Nitrate sebagian terjadi, dan pada beberapa species terutama, terjadi dalam akar. NH4+ _{diambil dari tanah yang}

secara normal difiksasi dalam akar

• Reduksi nitrate dan nitrite seperti pada fixation of NH4+ _{dimulai dalam sel akar}

dengan cara yang sama seperti pada mesophyll cells.

• Tetapi, dalam sel akar diperlukan reduksi yang setara dengan supplied exclusively melalui oksidasi carbohydrates.

• Reduksi nitrite dan selanjutnya fiksasi dari NH4+ _{(Fig. 10.8) terjadi dalam}

leucoplasts, a differentiated form of plastids

• ATP yang dibutuhkan untuk glutamine synthesis dapat dihasilkan oleh

mitochondria dan dipindahkan ke dalam leucoplasts oleh suatu plastid ATP

translocator.

• Glutamate synthase dari leucoplasts juga digunakan mereduksi ferredoxin sebagai redox partner, meskipun beberapa

leucoplasts juga mengandung glutamate synthase

• Reduksi nitrate di dalam akar memberikan organic nitrogen compounds terutama

dalam bentuk glutamine dan asparagine pada shoot melalui aliran transpirasi dalam pembuluh xylem.

• This is also the case bila NH4+ _merupakan

The end product of nitrate assimilation

is a whole spectrum of amino acids

• Semua asam amino dapat dianggap sebagai

produk akhir asimilasi nitrat

• Synthesis asam amino ini terutama berlangsung dalam chloroplasts.

• Pola sintesis asam amino sangatlah beragam tergantung pada spesies dan kondisi

metabolisme.

• Dalam banyak kasus glutamate dan glutamine mewakili /menggambarkan bagian utama dari synthesized amino acids.

• Glutamate diekspor dari chloroplasts dalam perubahan malate dan glutamine menjadi glutamate

• Juga, serine dan

glycine

, yang

terbentuk sebagai

intermediate products

dalam

photorespiratory

cycle

, menunjukkan

bagian penting dari

total asam amino

yang ada dalam

mesophyll cells.

• Sejumlah besar

alanine

sering

terbentuk dalam C4

CO2 assimilation provides the carbon skeletons to

synthesize the end products of nitrate assimilation

• CO2 assimilation menyediakan carbon skeletons yang dibutuhkan untuk synthesis bermacam-macam amino acids. Figure 10.10 menunjukkan ringkasan dari awal carbon skeletons dari individual amino acids.

• 3-Phosphoglycerate merupakan carbon precursor yang sangat penting untuk

synthesis of amino acids. Ini dihasilkan dalam Calvin cycle dan diekspor dari

chloroplasts ke cytosol melalui triose

phosphate-phosphate translocator dalam perubahan phosphate (Fig. 10.11).

• 3-Phosphoglycerate diubah dalam

cytosol oleh phosphoglycerate mutase dan enolase menjadi

phosphoenolpyruvate (PEP)

• From PEP two pathways branch off, the reaction via pyruvate kinase leading to pyruvate, and via PEP-carboxylase to oxaloacetate.

Yang berwarna merah adalah: Carbon skeletons untuk synthesis amino acids yang diperoleh melalui asimilasi CO2. Merupakan prekursor penting untuk sintesis amino acid

The synthesis of glutamate requires the

participation of mitochondrial metabolism

• Figure 10.6 menunjukkan bahwa glutamate terbentuk dari α-ketoglutarate, yang dapat diperoleh melalui a partial sequence of the mitochondrial citrate cycle (Fig. 10.11). Pyruvate and oxaloacetate ditranspor dari

cytosol ke mitochondria oleh specific translocators.

• Pyruvate dioksidasi oleh pyruvate dehydrogenase (see Fig. 5.4), dan acetyl-CoA maka berkondensasi dengan oxaloacetate menjadi citrate (see Fig. 5.6).

• Citrate ini dapat dikonversi dalam mitochondria melalui aconitase (Fig. 5.7), dioksidasi lebih lanjut oleh

NADisocitrate dehydrogenase (Fig. 5.8), dan resultant α-ketoglutarate dapat ditranspor ke dalam cytosol oleh

• Biosynthesis of

proline and arginine

• Glutamate merupakan prekursor untuk

synthesis of proline

• Merupakan dcarboxylic group yang pertama dikonversi oleh

glutamate kinase

menjadi energy-rich phosphoric acid

anhydride dan

kemudian direduksi oleh NADPH menjadi

aldehyde

• Pada tahap pertama dari synthesis arginine, the a-amino group dari

glutamate di acetylated

Transaminasi

• Bila NH₄+ _{yang mengandung isotop} 15_{N diberikan pada}

tumbuhan atau bagian tumbuhan, maka yang pertama-tama segera tertandai 15_{N adalah glutamin, lalu asam}

glutamat, kemudian aspartat,

• Berikutnya, 15_{N tampak pada asam amino Iainnya.}

• Alasan urutan penandaan ini adalah bahwa setelah pembentukan glutamat (gambar 14.8 dan reaksi 2), glutamat mengangkut gugus aminonya langsung ke berbagai asam α-keto pada reaksi transaminasi

terbalikkan.

• Contoh penting transaminasi terjadi antara glutamat dan oksaloasetat, menghasilkan α -ketoglutarat dan aspartat (lihat gambar 14.8, reaksi 4).

• Aspek fisiologi yang penting dari semua reaksi transaminasi adalah reaksi itu selalu melibatkan pengangkutan nitrogen dari satu senyawa ke senyawa lain di sebagian besar organ dan sel dari sebagian besar tumbuhan (Giovanelli, 1980).

• Secara biokimia, semua transaminasi menyangkut sumbangan gratis terbalikan gugus alfa-amino ke gugus alfa-keto dari asam alfa-keto,disertai pembentukan asam amino baru dan alfa-keto baru

• Aspartat hasil transaminasi dapat mengangkut asam aminonya ke asam α-keto lainnya, membentuk berbagai asam amino

melalui proses transaminasi.

• Pengangkutan ke piruvat, misalnya, akan menghasilkan alanin. • Alanin dan asam amino lainnya juga dapat mengangkut gugus aminonya sehingga banyak sekali asarn amino yang terbentuk

Perubahan nitrogen selama

perkembangan tumbuhan

• Metabolisme nitrogen pada

biji yang sedang

berkecambah

– Di sel penyimpan 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

• Imbibisi air oleh biji kering

menyebabkan berlangsungnya berbagai reaksi kimia sehingga terjadi perkecambahan

(penembusan radikel melalui kulit biji) dan perkembangan kecambah.

• Protein di dalam benda protein dihidrolisis oleh proteinase

(protease) dan peptidase

menjadi asam amino dan amida • Perhatikan hilangnya sebagian

besar protein pada benda protein pada gambar

• Beberapa asam amino dan amida

dilepaskan selama hidrolisis protein di

dalam biji yang akan digunakan untuk

membentuk protein baru yang khusus,

asam nukleat, dan sebagainya di dalam

sel tempat hidrolisis berlangsung tapi

sebagian besar diangkut melalui floem

ke sel yang sedang tumbuh di akar dan

tajuk.

• Akar muda segera mulai menyerap NO3

dan NH4, asimilasi nitrogen untuk

tumbuhan yang sedang tumbuh

selanjutnya dimulai lagi.

Lalu lintas senyawa nitrogen selama fase

vegetatif dan reproduktif

• Pada tumbuhan herba terjadi

sirkulasi-kembali nitrogen dari akar ke daun dan sebaliknya

• Di daun, sekitar setengah dari protein

berada di kloroplas.

• Daun broadban kehilangan nitrogen

selama Agustus dan September, sedangkan bijinya menimbun nitrogen.

• Kebutuhan nitrogen tambahan pada

biji tumbuhan kacang2an tadi

biasanya diperoleh dari penambatan nitrogen di bintil akar selama

perkembangan biji.

• Walaupun demikian, kebutuhan

nitrogen biji tanaman kacang2an sangat besar sehingga kehilangan nitrogen dari daun, terutama yang dekat biji, cukup berarti.