Metabolisme Nitrogen

NITROGEN

• Nitrogen komponen penting dalam biosintesis asam amino, asam nukleat dan penyusun sel.

• sekitar 79% Ketersediaan nitrogen dari atsmosfir dalam bentuk gas N2,

• N2 tidak dapat dipakai oleh semua organisme karena adanya ikatan rangkap tiga antar 2 atom N yang menyebabkan molekul tersebut tidak reaktif sehingga harus dirubah dahulu menjadi ammonium (NH4

+) atau nitrat (NO3-)

Tahapan dalam siklus nitrogen

1. Fiksasi Nitrogen

• N2 difiksasi bakteri dalam nodul akar menjadi NH3 untuk sintesis asam amino

• Fiksasi nitrogen dilakukan oleh organisme pengikat nitrogen seperti Cyanobacteria yang bersimbiosis dengan lumut, pakis, Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium yang ada pada tanaman leguminosa, alfafa, Frankia, gangang biru menghasilkan ammonia.

• Tanaman memberi karbohidrat dan asam organic bagi bakteri dan dalam tanaman ada leghaemoglobin yang dapat mempertahankan jumlah O2 sehingga tidak meracuni bakteri.

• Amonia hampir dapat dimanfaatkan oleh semua mikroorganisme.

• Reaksi yang terjadi : N2 + 16 H2O + 8 e- + 16 Mg ATP 2 NH3 + H2 + 16 Mg ADP +

16 Pi + 8 H+

• Enzim nitrogenase menerima electron dari flavodoksin tereduksi (protein yang tereduksi selama respirasi (oksidasi piruvat), feredoksin atau bahan pereduksi lainnya. Nitrogenase terdiri dari 2 protein Fe dan protein Mo- Fe. Fe protein direduksi oleh electron dari Feredoksin dan kemudian berikatan dengan ATP dan mereduksi protein Mo-Fe yang menyumbang electron ke N2 menghasilkan HN=HN (NH4

+).

• Selanjutnya (NH4+) diangkut dari bakteriod dan diangkut oleh

tumbuhan inang. • Di sitosol sel (NH4

+) diubah menjadi glutamine, asam glutamate, asparagin.

2. Nitrifikasi• Bagi tumbuhan yang tidak dapat menambat N2

sumber utamanya NO3- sebab NH4

+ dioksidasi oleh bakteri nitrifikasi menjadi NO3

- Beberapa bakteri nitrifikasi mengoksidasi ammonia menjadi nitrit dan akhirnya nitrat

3. Denitrifikasi• Tanaman dan bakteri mereduksi nitrat

menjadi ammonia.• Reduksi nitrat terjadi dalam 2 reaksi yang

berbeda yang dikatalisis oleh enzim yang berbeda pula.

• Enzim nitrat reduktase• NO3

-+NADH+H+ NO2-+NAD++H2O,

mengangkut 2 e dari NADH dan nitrat reduktase mengandung FAD, Fe, molibdenum

• Enzim nitrit reduktase• Nitrit di sitosol akibat kerja nitrat reduktase

diangkut ke kloroplas atau protoplastida pada akar dan diubah menjadi NH4

+ oleh nitrit reduktase dan memerlukan 6 elektron dari H2O melalui feredoksin.

• 3 H2O + 6 Fd (Fe 3+) 1,5 O2+ 6 Fd (Fe2+) + 6 H+

• NO2- + 6 Fd (Fe 2+) + 8 H+ 2 H 2O+ 6 Fd (Fe3+)+ NH4

• NO2- + 3 NADPH2 + 2 H+ NH3 + 3 NADP + H 2O+ OH-

• NH3 beracun dan dikonversi seperti pada reasi di bawah ini :

• Asam ketoglutarat + NH3 + NADH2 Asam glutamate + NAD + H 2O

(dari siklus Krebs)

4. Sintesis asam amino oleh tanaman dan kemudian digunakan hewan untuk membangun protein hewan.

• Banyak asam amino lain yang dihasilkan dari reaksi transaminase asam glutamate,

misalnya asam piruvat dan asam glutamate akan berubah menjadi alanin dan asam ketoglutarat

asam oksaloasetat dan asam glutamate berubah menjadi asam aspartat dan asam ketoglutarat

. Pengubahan ammonium menjadi bahan organic adalah melalui tahapan sebagai berikut : Glutamin yang dibentuk dari NH2 dari NH4+ dengan adanya glutamine sintase. Selanjutnya terbentuk 2 glutamat dan pembentukan asparagin oleh asparagin sintetase dan terjadi perubahan ATP menjadi AMP.

5. Degradasi protein terjadi bila hewan mati oleh mikroba dalam tanah

• Siklus urea merupakan jalur utama metabolisme nitrogen. 

• Pada tubuhsetiap manusia pasti berlangsung siklus urea. Pembentukan urea ini terutama berlangsung dalam hati.

• Siklus urea merupakan pelepasan gugus NH₂ pada asam amino dalam bentuk amoniak melalui reaksi transaminase dan deaminasi, kemudian dikeluarkan dalam bentuk urea dari urine

Transaminasi

• Berperan sebagi distribusi N pada asam amino dan degradasi asam amino

• Enzim: Transminase atau aminotransferase gugus NH₂ yang dilepaskan diterima oleh asam keto,

sehingga terbentuk asam amino baru dan asam keto lain • Melibatkan pasangan asam amino dengan asam a-keto

(glutama/a-ketoglutarat)– GOT (glutama oksaloasetat transminase)--liver– GPT (glutamat piruvat transaminase)--liver

• Serum GOT dan GPT (SGOT dan SGPT) menjadi parameter fungsi liver

• Transaminasi untuk transfer N

• Transminasi degradasi

COO-

CH2

CH2

HC NH3

COO-

C

CH2

CH2

C O

COO-

O-

O

R

C O

COO-

R

HC NH3

COO-

++

Alanin + -ketoglutarat piruvat + glutamat

Glutamat + NAD+ + H2O -ketoglutarat + NADH + NH4+

Alanin + NAD+ + H2O piruvat + NADH + NH4+

Aminotransferase

Glu dehidrogenase

• SGOT dan SGPT

Glutamat + oksaloasetat -ketoglutarat + aspartat

Glutamat + piruvat -ketoglutarat + alanin

SGOT

SGPT

• Reaksi deaminasi, gugus NH₂ dilepaskan dalam bentuk ammonia yang kemudian dikeluarkan dari dalam tubuh dalam bentuk urea dalam urine.

• Amonia dengan kadar yang tinggi merupakan racun dalam tubuh manusia.

Deaminasi

SIKLUS UREA

Tahapan-tahapan siklus Urea :

REAKSI 1 :Sintesis carbamoyl phosphate

Pada mitokondria , ion ammonium (NH4+)dan

karbondioksida bereaksi menghasilkan carbamoyl phosphate dengan bantuan enzim carbamoyl phosphate synthetase. Reaksi ini membutuhkan energi, karenanya reaksi ini melibatkan 2 mol ATP yang diubah menjadi ADP

REAKSI 2 :Pembentukan Citrulline

• Carbamoyl phosphate bereaksi dengan ornithine memisahkan gugus fosfat menghasilkan citrulline. Sebagai katalis pembentukan citrulline adalah ornithine transcarbamoylase yang terdapat pada bagian mitrokondria sel hati.

• Citrulline kemudian ditransportasikan ke sitosol.

REAKSI 3 :Pembentukan Argininosuccinate

citrulline kemudian bereaksi dengan nitrogen yang berasal dari aspartat dengan bantuan argininosuccinate synthetase membentuk argininosuccinate. Pada reaksi ini ATP merupakan sumber energi dengan jalan melepaskan gugus fosfat dan berubah menjadi AMP .

REAKSI 4 :Penguraian argininosuccinate

Arginino succinate membentuk fumarate dan arginine ( precursor mediate dari urea)

Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuccinate lyase, suatu enzim yang terdapat dalam hati dan ginjal.

REAKSI 5 (Reaksi terakhir) : Penguraian Arginin

• Arginine dengan katalis arginase yang terdapat dalam hatiakan menjadi urea dan ornithine.

• Ornithine ditransportasikan kembali ke mitokondria untuk bergabung dengan carbamoyl phosphate membentuk citrulline. Demikian seterusnya reaksi berlangsung secara berulang-ulang merupakan suatu siklus.

• Urea yang terbentuk dikeluarkan dari tubuh melalui urine.

• Pembentukan fumarat merupakan gabungan antara siklus urea dengan siklus asam sitrat. Fumarat kemudian akan menjadi oksalo asetat pada siklus asam sitrat.

PERANAN SIKLUS UREA DALAM TUBUH

• Asam amino yang berasal protein dalam makanan diabsorsi melaluitranspor aktif dan dibawa ke hati.

• Di hati, asam amino disintesis menjadi molekul protein atau dilepas ke dalam sirkulasi untuk ditranspor ke dalam sel lain.

• Setelah memasuki sel-sel tubuh, asam amino bergabung dengan ikatan peptida untuk membentuk protein seluler yang dipakai untuk pertumbuhan dan regenerasi jaringan.

• Hanya ada sedikit simpanan asam amino dalam sel-sel tubuh, kecuali sel-sel hati. Protein intraseluler tubuh sendiri terus terhidrolisis menjadi asam amino dan disintesis ulang menjadi protein. Asam amino dari makanan dan asam aminodari penguraian protein intraseluler membentuk kelompok asam amino utama yang memenuhi kebutuhan tubuh.

• Penguraian asam amino untuk energi berlangsung di hati. Jika sel telah mendapatkan protein yang mencukupi kebutuhannya, setiap asam amino tambahan akan dipakai sebagai energi atau disimpan sebagai lemak. Urea tidak diputus oleh enzim manusia.

ASPEK KLINIS ATAU GANGGUANSIKLUS UREA PADA KEHAMILAN

1.Hiperammoniatipe Iº Akibat defisiensi karbamoilfosfat sintetase,Mungkin factor

keturunan2. Hiperammoniatipe II º Akibat defisiensi ornitintrans karbamoilaseº bersifat X-chromosome linkedº kadar glutamine dalam darah dan cairan serebrospinalis dan

urine akan meningkat yang mencerminkan adanya peningkatan sintesis glutamine akibat kenaikan amoniak dalam jaringan

3. Sitrulinemiaº Akibat defisiensi argininosuksinat sintetase, Jarang dijumpaiº Diduga akibat factor keturunan yang bersifat resesif

º Terjadi peningkatan kadar sitrulin di darah dan cairan serebrospinalis

º Juga diekskresikan dalam urine dalam jumlah besar (1-2 g/dL)

4. Argininosuksinatasiduriaº Akibat factor keturunan yang bersifat resesifºKadar argininosuksinat dalam darah, cairan serebrospinalis dan

urine meningkat º gejala: trichorrhexianodosa (rambut mudah patah dan

menggerombol di bagian ujungnya)º tipe: akut dan kronisº gejala timbul pada umur 2 tahun dan pada umumnya diakhiri

dengan kematianº aktivitas enzim ini pada jaringan otak, hati, ginjal, eritrosit dan

fibroblast kulit kecil atau tidak ada sama sekali

• Namun, bakteri, termasuk bakteri yang terdapat dalam saluran cerna manusia, dapat memutuskan urea menjadi amonia dan CO₂. (urease, enzim yang mengkatalisis reaksi ini, merupakan enzim pertama yang dapat dikristalisasi).

• Sampai tahap tertentu, manusia mengekskresikan urea ke dalam usus dan air liur.

• Bakteri usus mengubah urea menjadi amonia. Amonia ini serta amonia yang dihasilkan oleh reaksi bakteri lain di dalam usus, diserap masuk ke dalam vena porta hepatika. Dalam keadaan normal, amonia ini diekstrasi oleh hati dan diubah menjadi urea.