NITROGEN REDUCTION & ASSIMILATION
KRT-2011
1
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 KRT-2011
2
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.
KRT-2011
3
Most plants depend on bacteria to supply nitrogen
KRT-2011
4
Asimilasi Nitrogen • Bagi tumbuhan yang tidak dapat menambat N2, sumber nitrogen utamanya adalah NO3- dan NH4+. • 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 KRT-2011
5
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.
KRT-2011
6
• 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).
KRT-2011
7
• 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. KRT-2011
8
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 dalam chloroplasts KRT-2011
9
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
KRT-2011
10
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 hasil photosynthetic electron transport KRT-2011
11
The fixation of NH4+ proceeds in the same way as in photorespiration
KRT-2011
12
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 KRT-2011
13
The fixation of NH4+ proceeds in the same way as in photorespiration (lanjutan) • Glutamine yang terbentuk dalam chloroplasts dikonversi via glutamate synthase (juga disebut glutamineoxoglutarate 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. KRT-2011
14
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 KRT-2011
15
KRT-2011
16
• 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 sumber nitrogen dalam tanah. KRT-2011
17
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 KRT-2011
18
• 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 plants KRT-2011
19
CO2 assimilation provides the carbon skeletons to synthesize the end products of nitrate assimilation • CO2 assimilation menyediakan carbon skeletons yang dibutuhkan untuk synthesis bermacammacam amino acids. Figure 10.10 menunjukkan ringkasan dari awal carbon skeletons dari individual amino acids. KRT-2011
20
• 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. KRT-2011
21
Yang berwarna merah adalah: Carbon skeletons untuk synthesis amino acids yang diperoleh melalui asimilasi CO2. Merupakan prekursor penting untuk sintesis amino acid
KRT-2011
22
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 specific translocator KRT-2011
23
• • •
•
KRT-2011
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 melalui reaksi dengan acetyl-CoA and is thus protected 24
Transaminasi • Bila NH4+ yang mengandung isotop 15N diberikan pada tumbuhan atau bagian tumbuhan, maka yang pertamatama segera tertandai 15N adalah glutamin, lalu asam glutamat, kemudian aspartat, • Berikutnya, 15N 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). KRT-2011
25
Transaminasi
KRT-2011
26
Transaminasi • 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 dengan cara transaminasi KRT-2011
27
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 KRT-2011
28
• 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 KRT-2011
29
• 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. KRT-2011
30
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.
KRT-2011
31
