Metabolisme Nitrogen Pada Tumbuhan

Proses Biokimia dalam Asimilasi Ammonium

Sama halnya seperti nitrit, ammonium juga merupakan unsur yang bersifat racun bagi tumbuhan. Setelah menerima ammonium hasil reduksi dari nitrat, tumbuhan akan segera mengubah ammonia menjadi asam amino. Jalur utama pengubahan ammonium menjadi asam amino adalah melalui glutamine synthetase dan glutamate synthase. Glutamine Synthetase (GS) akan mengubah ammonium dan glutamate menjadi glutamine. Persamaan reaksi perubahan ini adalah sebagai berikut.

Reaksi perubahan ini memerlukan hidrolosis satu molekul ATP dan melibatkan kation dengan dua proton (divalent cation) seperti Mg²⁺, Mn²⁺ atau Co²⁺ sebagai kofaktornya. Tumbuhan memiliki dua macam GS, yakni GS yang berada di sitosol dan GS yang berada di plastid akar/kloroplas. GS yang berada di sitosol akan dipergunakan untuk proses perkecambahan biji, dialirkan ke jaringan pengkut akar dan batang atau dipergunakan dalam produksi glutamine untuk transport nitrogen interseluler. GS yang terdapat di plastid akar akar diubah menjadi amid denitrogen. Keberadaan cahaya dan kadar karbohidrat akan mempengaruhi kerja GS yang berada di plastid akar, namun tidak terlalu berpengaruh terhadap GS yang terdapat di akar.

Naiknya level glutamine pada plastid akar akan menstimulasi pengaktifan glutamate synthase atau yang dikenal juga dengan GOGAT (Gutamine:2-oxoglutarate aminotransferase). Tumbuhan mengandung dua jenis GOGAT, yakni GOGAT yang menerika electron dari NADH dan GOGAT yang meneriman elektorn dari ferredoxin.

Enzim GOGAT yang menerima elektron dari NADH (NADH-GOGAT) terletak di plastida dari jaringan nonfotosintetik, seperti akar dan jaringan pembuluh pada daun yang sedang berkembang. Di akar, NADH-GOGAT membantu asimilasiammonium (NH⁺⁴) yang diabsorbsi dari rizosfer (tanah yang dekat dengan permukaan akar. Di dalam jaringan pembuluh daun muda, NADH-GOGAT berasimilasi dengan glutamine yang diambil dari akar ataupun daun.

Enzim GOGAT yang menerima elektron dari ferredoxin (Fd-GOGAT) dapat dijumpai di kloroplas dan berperan dalam proses metabolisme nitrogen dengan bantuan sinar matahari. Semakin tinggi paparan cahaya matahari, maak jumlah enzim ini dan aktivitasnya akan semakin meningkat. Fd-GOGAT juga dapat dijumpai di plastid akar. Pada bagian ini, Fd-GOGAT befungsi untuk menggabungkan glutamin yang dihasilkan selama asimilasi nitrat.

Glutamate dehydrogenase (GDH) mengkatalis reaksi kebalikan dari sintesis glutamate. Persamaan reaksi dituliskan sebagai berikut.

Sebuah molekul NADH tunggal dalam bentuk GDH dijumpai pada mitokondria dan juga akan dilokalisasi di kloroplas sebagai bagian dari organ fotosintesis. Baik pada bentuk yang dijumpai di mitokondria ataupun kloroplas, keduanya tidak dapat menggantikan reaksi pada jalur GS-GOGAT (reaksi asimilasi ammonium). Fungsi utama dari keduanya adalah dalam proses deaminasi glutamate.

Setelah diasimilasi menjadi glutamine dan glutamate, nitrogen diubah menjadi asam amino melalui reaksi transasinasi. Enzim yang mengkatalis reaksi ini dikenal sebagai aminotransferase, salah satu contohnya adalah aspartate aminotransferase (Asp-AT) yang mengkatalis reaksi dengan persamaan berikut.

Gugus amino dari glutamate ditransfer ke atom karboksil dari aspartate. Aspartate adalah asam amino yang berperan dalam proses transfer malat-aspartate dari mitokondria kan kloroplas ke dalam sitosol, dan transport karbon dari mesofil ke bundle sheets untuk fiksasi karbon C4. Semua jenis reaksi transaminase membutuhkan piridoksal fosfat (vitamin B6) sebagai kofaktor. Aminotransferase dapat dijumpai di sitoplasma, mitokondria, glisosom dan peroksisom. Aminotransferase yang berada di kloroplas memiliki peranan penting dalam sintesis asam asmino di dalam tubuh tumbuhan.

Keberadaan aspargine dan glutamate secara tidak langsung menghubungkan proses metabolisme nitrogen dan karbohidrat yang terjadi di tumbuhan. Aspargine disintesis dengan cara mentransfer gugus amida nitrogen dari glutamine ke aspargine. Aspargine synthetase (AS) adalah enzim yang membantu mengkatalis reaksi ini. Reaksi ini terjadi di sel sitosol akar dan daun serta di nodule.

Tingginya paparan cahaya matahari dan karbohidrat adalah kondisi yang dapat menstimulus GS yang terdapat di plastid dan Fd-GOGAT untuk menghambat kerja Aspargine synthetase (AS). Akibatnya, tumbuhan akan lebih memilih mengasimilasi nitrogen dan mengubahnya menjadi glutamine dan glutamate (komponen yang kaya akan karbon dan berperan dalam sintesis bagian tumbuhan baru). Pada kondisi sebaliknya, di mana paparan cahaya matahari dan keberadaan karbohidrat dalam tumbuhan rendah, keberadaan GS yang terdapat di plastid dan Fd-GOGAT menjadi rendah yang kemudian menstimulasi produksi dan aktivitas Aspargine syhnthetase (AS). Kondisi ini akan membuat tumbuhan lebih memilih aimilasi nitrogen menjadi asparagine (komponen yang kaya nitrogen dan stabil untuk ditranspor ke bagian sel lain atau disimpan). Mekanisme ini membantu menjaga keseimbangan nitrogen dan karbon pada tumbuhan.