ENZIM NITROGENASE Fe-S

ENZIM NITROGENASE Fe-S

BAB I

PENDAHULUAN

Banyak reaksi biologis yang diketahui melibatkan ion logam. Terdapat juga berbagai logam yang dikenal sebagai unsur-unsur esensial, walaupun perannya dalam organisme hidup masih belum jelas. Bioanorganik, yakni studi fungsi logam dalam sistem biologis dengan menggunakan pengetahuan dan metoda kimia anorganik telah berkembang dengan pesat akhir-akhir ini.

Berikut adalah daftar zat boaktif khas yang mengandung logam:

• pembawa elektron. Fe: sitokrom, protein besi-belerang. Cu: protein tembaga biru.
• senyawa penyimpan logam. Fe: feritin, transferin. Zn: metalotionin.
• bahan pentransport oksigen. Fe: hemogloblin, mioglobin. Cu: hemosianin.
• fotosintesis. Mg: khlorofil
• hidrolase. Zn: karboksilpeptidase, Mg: aminopeptidase.
• oksidoreduktase. Fe: oksigenase, hidrogenase. Fe, Mo: nitrogenase.
• isomerase. Fe: akonitase. Co: koenzim vitamin B12.

Dasar reaksi metaloenzim adalah:

• aktivasi koordinatif (pembentukan koordinasi, penyumbangan elektron, efek sterik),
• redoks (oksidasi logam),
• komunikasi informasi

Dan dalam banyak kasus, lingkungan reaksi diatur dengan biopolimer misalnya protein, dan reaksi selektif dilakukan. Contoh aksi logam selain metaloenzim meliputi:

• Mg: transfer energi MgATP
• Na/K: pompa ion
• Ca: transfer fungsi hormon, kontraksi otot, transfer syaraf, koagulasi darah.

Reaksi oksidasi dalam sistem hidup sangat penting, dan banyak studi sistem ini telah dilakukan. Khususnya, mekanisme transport gas oksigen oleh hemoglobin dan oksidasi mono-oksigen oleh senyawa besi-porfirin yang disebut P-450 telah dipelajari dengan detail. Transport gas oksigen, yang telah dipelajari beberapa tahun dideskripsikan di bawah ini. Besi dalam hemoglobin porfirin dan mioglobin dan senyawa tembaga hemosianin  terlibat dalam transport gas oksigen dalam sel organisme hidup.  Dasar fungsi transport ini adalah ikatan dan disosiasi reversibel antara oksigen dengan ion besi atau tembaga. Agar dapat melakukan fungsi ini, logam harus dalam bilangan oksidasi dan lingkungan yang  cocok untuk koordinasi oksigen yang reversibel. Senyawa hemoglobin porfirin besi didapatkan dalam darah merah manusia dan beberapa hewan.

Hemoglobin memiliki struktur besi heme dan empat satuan porfirin yang berkombinasi dengan protein globin. Dioksigen yang ditransport dalam darah dikoordinasikan pada ion Fe(II) dalam satuan heme tersebut.  Ion Fe (II) dalam keadaan penta-koordinat dengan empat atom nitrogen porfirin dan atom nitrogen histidin polipeptida,  dan menjadi heksa-koordinat ketika dioksigen berkoordinasi dengan ion tersebut. Keadaan spin besi akan berubah dari spin tinggi ke rendah dengan berkoordinasinya oksigen.  Fe(II) spin tinggi akan ada di atas bidang porfirin karena ion ini terlalu besar untuk dapat masuk ke dalam ruang yang tersedia. Ketika ion Fe(II) menjadi spin rendah dengan koordinasi oksigen, ukuran ini akan menurun dan kini dapat masuk dalam ruang cincin porfirin.

Pergerakan tingkat molekular ini telah menarik minat riset efek alosterik karena pergerakan ini akan mempengaruhi keseluruhan protein melalui  histidin yang terkoordinasi dan menentukan ikatan tertentu dalam molekul dioksigen. Oksidasi ion Fe(II) dalam molekul heme dicegah oleh protein, dan hila besi heme diambil dari protein, ion Fe(II) akan dioksidasi menjadi Fe(III), dan dua cincin porfirin dijembatani oleh peroksida µ-O2^2-, yang akhirnya menjadi struktur µ-O₂. Bila heme dalam keadaan ini, heme akan kehilangan kemampuan berkoordinasi dengan molekul oksigen. Berdasarkan fenomena ini, porfirin sintetik yang dapat secara reversibel berkoordinasi dengan oksigen dengan menekan dimerisasi besi porfirin telah dikembangkan, dan dinamakan porfirin pagar piket, karena bentuk tiga dimensinya.

BAB II

PEMBAHASAN

1.      Pengertian Enzim Nitrogenase (Fe-S)

Nitrogenase adalah enzim yang dapat mereduksi gas nitrogen di udara menjadi amonia. Gas nitrogen yang berada di alam sebanyak 78% dari komposisi udara tidak dapat digunakan oleh tanaman, oleh karena itu perlu diubah terlebih dahulu menjadi bentuk lain, salah satunya molekul amonia. Enzim nitrogenase terbagi menjadi dua yaitu dinitrogen reduktase yang memiliki molekul protein Fe dan dinitrogenase yang memiliki molekul protein Mo-Fe. Nitrogenase akan menjadi inaktif apabila terdapat oksigen yang bereaksi dengan komponen Fe dari protein.

Enzim nitrogenase dimiliki oleh bakteri penambat nitrogen. Enzim ini bersifat konservatif karena memiliki struktur gen yang sama, hanya saja ekspresinya yang berbeda. Aktivitas enzim nitrogenase dapat diukur dengan metode Asai Reduksi Asetilen (ARA). Nitrogenase merupakan enzim yang digunakan oleh beberapa organisme untuk mengarahkan keberadaan nitrogen di atmosfir. Nitrogenase membantu memelihara keseimbangan senyawa di udara, mencegah kelebihan nitrogen di udara. Nitrogenase penting di dalam proses pemecahan ikatan rangkap tiga pada senyawa nitrogen. Nitrogen berperan sebagai katalis untuk mengikat 3 atom hidrogen ke nitrogen sehingga menghasilkan senyawa amonia (wisegreek 2009. http://www.wisegeek.com/what-is-nitrogenase.htm). Nitrogenase merupakan kompleks enzimatik yang dapat memfiksasi nitrogen di udara. Komplkes nitrogenase berada bebas di dalam organisme yang memfiksasi nitrogen dan juga berada di dalam bakteri yang memfiksasi nitrogen yang bersimbiosis. Berikut persamaan reaksi pembentukan amonia dari nitrogen :

N₂ + 8 H⁺ + 8e- + 16ATP + 16H₂O 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi

Amonia dibentuk pada proses ini diinkorporasikan ke dalam asam amino glutamat dan glutamin serta asam nukleat. Kompleks nitrogenase mengandung 2 tipe protein. Protein pertama memiliki berat molekul (BM) 220 kDa. Protein ini dibentuk dari 4 subunit yang mengandung 28 ion Molibdenum sebagai kofaktor. Protein kedua memiliki BM 70 kDa, dibentuk dari 2 subunit yang mengandung 8 atom besi sebagai kofaktor. Kofaktor logam baik Fe maupun Mo meletakkan nitrogen di dalam posisi yang mana mudah untuk dikonversi menjadi amonia. Kedua protein tersebut bersama-sama memfiksasi nitrogen di udara. Kompleks nitrogen ini sangat sensitif terhadap oksigen. Oksigen dapat menginaktivasi aktivitas nitrogenase. Oleh karena itu, pada tumbuhan, untuk mencegah pertemuan molekul oksigen dengan nitrogenase, tumbuhan memproduksi hemoglobin khusus pada tumbuhan yang dinamakan laghemoglobin. Protein ini memiliki afinitas tinggi terhadap oksigen dan mengikat oksigen. Protein ini diinisiasikan di sekitar akar untuk mencegahdari jangkauan nitrogenase.

2.      Metabolisme Nitrogen

Nitrogen berada dialam dalam berbagai bentuk dan keadaan dinamis mengikuti perubahan fisik dan kimia dalam suatu daur nitrogen. Sejumlah besar nitrogen dalam atmosfer, namun sukar bagi tumbuhan untuk memperoleh atom N dari N₂ dalam bentuk yang dapat digunakan. Meskipun N2 masuk kedalam sel-sel daun bersama CO₂ melalaui stomata, enzim-enzim yang tersedia hanya mereduksi CO₂, sehingga N keluar dari sel-sel daun secepat mungkin. Sebagian besar N₂ yang masuk tubuh tumbuhan telah mengalami fiksasi (reduksi) oleh mikroba prokariotik atau dalam bentuk NH₄ dan NO₃ dalam air hujan atau aktifitas gunung berapi dan pembakaran fosil.

Perubahan nitrogen organik menjadi NH₄ oleh mikroba tanah disebut amonifikasi, NH₄ dioksidasi lebih lanjut oleh bakteri menjadi NO₃^- yang disebut nitrifikasi. Sedangkan proses terbentuknya N₂, NO, N₂O, dan NO₂ dari NO₃ oleh bakteri anaerob adalah denitrifikasi.

Siklus Nitrogen

Nitrogen ditemukan pada semua asam amino, yang merupakan penyusun protein organisme-organisme. Nitrogen tersedia bagi tumbuhan hanya dalam bentuk dua mineral, yaitu NH₄ (amonium) dan NO₃^- (nitrat). Meskipun atmosfer bumi hampir 80% terdiri dario nitrogen, unsur ini sebagian besr terdapat dalam bentuk gas nitrogen (N₂) yang tidak tersdedia bagi tumbuhan.

Nitrogen memasuki ekosistem melalui dua jalur alamiah, yang keutamaan relatifnya sangat nervariasi dari ekosistem ke ekosistem yang lain. Yang pertama, deposit pada atmosfer, merupakan 5-10 % dari nitrogen yang dapat digunkan yang memasuki sebagian besar ekosistem. Dalam proses ini, NH₄⁺ dan NO₃^-, kedua bentuk yang tersedia bagi tumbuhan, ditambahkan ketanah melalui kelarutannya dalam air hujan atau melalui pengendapan debu-debu halus atau butiran lainnya.

Gambar 1: siklus nitrogen dialam         

3.      Reaksi-reaksi Pembentukan Enzim Nitrogenase (Fe-S)

a.       Reaksi Oksidasi

 

Gambar 2 : Reaksi Oksidasi Nitrogen

http://wilkipedia.nitrogenase.htm

Reaksi reduksi gas nitrogen menjadi amonia terjadi apabila molekul gas nitrogen terikat pada komplek enzim nitrogenase.^[1] Tiap reaksi memerlukan elektron yang disumbangkan oleh feredoksin. Dinitrogen reduktase mula-mula direduksi oleh elektron yang diberikan oleh feredoksin yang dihasilkan melalui fotosintesis, respirasi, atau fermentasi. Dinitrogen reduktase yang tereduksi akan mengikat ATP (adenosin trifosfat) dan mereduksi dinitrogenase yang memberikan elektron kepada gas nitrogen sehingga menghasilkan NH=NH. Pada daur berikutnya NH=NH direduksi menjadi amino nitrogen dan selanjutnya direduksi lagi menjadi dua molekul NH₃. Dua molekul amonia dihasilkan dari satu molekul gas nitrogen menggunakan 16 molekul ATP serta pasokan elektron dan proton yang berupa ion hydrogen.

b.      Fiksasi Nitrogen

Reaksi yang mengubah nitrogen di udara menjadi amonia adalah dasar kehidupan. Fiksasi nitrogen, reaksi yang mengikat nitrogen di atmosfer menjadi amonia, dilakukan oleh Rhizobium di akar tumbuhan polong-polongan atau oleh bakteri di alga dalam atmosfer anaerobik. Semua hewan, tanaman, termasuk manusia, bergantung pada fiksasi nitrogen biologis untuk mendapatkan nitrogen bagi penyusunan protein  dan senyawa lain yang mengandung nitrogen sebelum ada proses Harber-Bosch.

N₂ + 8 H⁺ + 8 e + 16 MgATP  → 2 NH₃ + H₂ +16 MgADP + 16Pi

(Pi adalah fosfat anorganik).

Suatu enzim yang dinamakan nitrogenase mengkatalisis reaksi ini.  Nitrogenase mengandung protein besi-belerang dan besi-molibdenum, dan mereduksi nitrogen dengan koordinasi dan transfer elektron dan proton secara kooperatif, dengan menggunakan MgATP sebagai sumberenergi.  Karena pentingnya reaksi ini, usaha-usaha untuk mengklarifikasi struktur nitrogenase dan mengembangkan katalis artifisial  untuk fiksasi nitrogen telah dilakukan secara kontinyu selama beberapa tahun.  Baru-baru ini, struktur pusat  aktif nitrogenase yang disebut dengan kofaktor besi-molibdenum telah ditentukan dengan analisis kristal tunggal dengan sinar-X (Gambar 8.2).

Menurut hasil analisis ini, strukturnya memiliki kluster Fe₃MoS₄ dan Fe₄S₄ yang dihubungkan  melalui S.

Dipercaya bahwa dinitrogen diaktivasi dengan koordinasi antara dua kluster. Di pihak lain, bagian yang disebut dengan kluster p  yang terdiri dari dua kluster Fe₄S₄ clusters.  Peran dan mekanisme reaksi kedua kluster ini belum jelas.

c.       Asimilasi Nitrat

Jumlah relatif NO₃^- dan nitrogen organik dalam xylem bergantung pada kondisi lingkungan. Jenis tumbuhan yang akarnya mampu mengasimilasi N, dalam cairan Xylem dijumpai banyak asam amino, amide an urine, tidak dijumpai NH₄⁺. Sedangkan jika di dalm cairan xylem mengandung NO₃^- berarti akar tumbuhan itu tidak mampu mengasimilasi NO₃^-. Kalau dlam lingkungan perakaran NO₃- terdapat dalam jumlah besr, cairan xylem akan mengandung NO₃^- juga. Proses keseluruhan reduksi NO₃^- menjadi NH₄ yaitu:

a. Reduksi Nitrat

-------> NO₃^- + NADH NO₂⁺ + NAD + H₂O

Reaksi ini berlangsung di sitosol, enzim yang mengkatalis adalah nitrat reduktase, enzim yang memindahkan dua elektron dari NADPH2, hasilnya adalah nitrite, NAD (NADP) dan H₂O. Nitrat reduktase adalh suatu enzim besar dan kompleks yang terdiri dari FAD, satu sitokrom dan Molibdenum (Mo) yang semuanya akan tereduksi dan teroksidasi pada waktu elektron diangkut dari NADH₂ ke atom nitrogen dalm NO₃

b. Reduksi Nitrit

------> NO₂ + 3 H₂O + 6 Fd +2 H⁺ + cahaya NH₄⁺ + 1,5O₂ +3 H₂O + 6 Fd

Reaksi ini berlangsung di kloroplas (pada daun) atau pada proplastida (pada akar), dengan enzim Nitrit reduktase. Meskipun Fd tereduksi merupakan donor elektron yang khas bagi nitrit reduktase di daun.

Gambar 4: proses keseluruhan reduksi NO₃ menjadi NH₄

d.      Pengubahan NH₄⁺ mejadi senyawa organik

Gambar 5: Pengubahan ammonium menjadi senyawa organik yang penting

NH₄⁺ (ammonium) yang diserap langsung dari tanah atu yang dihasilkan oleh fiksasi N₂ tidakb pernah dijumpai tertimbun dalam tubuh tumbuhan. Ammonium ini bersifat racun, mungkin menghambat pembentukan ATP dalam kloroplas maupun dalam mitokndria. Ammonium ini segera ditangkap oleh asam glutamat untuk menjadi glutamine dengan enzim glutamine sintetase, glutamin direaksikan dengan asam α keto glutarat menjadi 2 molekul asam glutamate. Untuk reaksi ini juga diperlukan elektron yang bersal dari Fd (dalam kloroplas) dan NADH atau NADPH₂ dalam proplastida dari sel-sel non-fotosintetik. Salah satu dari kedua glutamate yang terbentuk diperlukan untuk mempertahankan reaksi 1, sedang glutamat yang kedua dapat berubah langsung menjadi protein atau asam amino lain yang diperlukan untuk sintesis protein, klorofil, asam nukleat dan lain-lain. Selain membentuk glutamate, glutamine dapat memberikan gugus amide-nya kepada asam aspartat untuk menjadi asparagin yang dikatalis oleh enzim asparagin sintetase. Glutamin dan asparagin menjadi senyawa nitrogen organik pertama yang terbentuk, selanjutnya gugus NH₂ dapat diberikan kepada α keto karboksilat, membentuk asam amino. Proses ini dinamakan transaminasi. Dengan transaminasi berbagai asam amino dapat dibuat, tergantung pada α keto karboksilatnya

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan :

1.      Nitrogenase adalah enzim yang dapat mereduksi gas nitrogen di udara menjadi amonia Enzim nitrogenase dimiliki oleh bakteri penambat nitrogen. Enzim ini bersifat konservatif karena memiliki struktur gen yang sama, hanya saja ekspresinya yang berbeda.

2.      Pada metabolism tumbuhan akan mengalami friksasi nitrogen dimana suatu tahapan yang sangat penting dalam siklus nitrogen, sehingga menghasilkan nitrogen yang dapat digunakan sebagai nutrisi tumbuhan.

DAFTAR PUSTAKA

Chem-Is-Try.Org _ Situs Kimia Indonesia _.htm

Darmono. 1995. Logam dalam Sistem Biologi Makhluk Hidup. Jakarta : Universitas Indonesia (UI-Press)

Oelze J. 2000. Respiratory protection of nitrogenase in Azotobacter species: Is a widely-held hypothesis unequivocally supported by experimental evidence? FEMS Microbiol Rev. 24(4):321–33.

Seefeldt LC, Dance IG, Dean DR. 2004. Substrate interactions with nitrogenase: Fe versus Mo. Biochemistry. 43(6):1401-9.

Sugiyanto H.K dan Retno D.S. 2010. Kimia Anorganik Logam. Yogyakarta : Graha Ilmu.