Siklus nitrogen

Daur Nitrogenadalah suatu proses konversi senyawa yang mengandungunsurnitrogenmenjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis. Beberapa proses penting pada siklus nitrogen, antara lainfiksasi nitrogen,mineralisasi,nitrifikasi,denitrifikasi.

Walaupun terdapat sangat banyakmolekulnitrogendi dalamatmosfer,nitrogen dalam bentuk gas tidaklah reaktif.Hanya beberapa organisme yang mampu untuk mengkonversinya menjadisenyawa organikdengan proses yang disebutfiksasi nitrogen.

Fiksasi nitrogen yang lain terjadi karena proses geofisika, seperti terjadinyakilat.Kilat memiliki peran yang sangat penting dalam kehidupan, tanpanya tidak akan ada bentuk kehidupan dibumi.Walaupun demikian, sedikit sekali makhluk hidup yang dapat menyerap senyawa nitrogen yang terbentuk dari alam tersebut. Hampir seluruh makhluk hidup mendapatkan senyawa nitrogen dari makhluk hidup yang lain. Oleh sebab itu, reaksi fiksasi nitrogen sering disebut prosestopping-upatau fungsi penambahan pada tersedianya cadangan senyawa nitrogen.

Vertebratasecara tidak langsung telah mengonsumsi nitrogen melalui asupan nutrisi dalam bentukproteinmaupunasam nukleat.Di dalam tubuh,makromolekulini dicerna menjadi bentuk yang lebih kecil yaituasam aminodan komponen darinukleotida,dan dipergunakan untuk sintesis protein dan asam nukleat yang baru, atau senyawa lainnya.

Sekitar setengah dari 20 jenis asam amino yang ditemukan pada protein merupakan asam amino esensial bagi vertebrata, artinya asam amino tersebut tidak dapat dihasilkan dari asupan nutrisi senyawa lain, sedang sisanya dapat disintesis dengan menggunakan beberapa bahan dasar nutrisi, termasuk senyawaintermediatdarisiklus asam sitrat.

Asam amino esensial disintesis oleh organismeinvertebrata,biasanya organisme yang mempunyailintasan metabolismeyang panjang dan membutuhkanenergi aktivasilebih tinggi, yang telah punah dalam perjalanan evolusi makhluk vertebrata.

Nukleotidayang diperlukan dalam sintesisRNAmaupunDNAdapat dihasilkan melalui lintasan metabolisme, sehingga istilah "nukleotida esensial" kurang tepat. Kandungan nitrogen padapurinadanpirimidinayang didapat dari asam aminoglutamina,asam aspartatdanglisina,layaknya kandungankarbondalamribosadandeoksiribosayang didapat dariglukosa.

Kelebihan asam amino yang tidak digunakan dalam proses metabolisme akan dioksidasiguna memperoleh energi. Biasanya kandungan atom karbon danhidrogenlambat laun akan membentukCO₂atauH₂O,dan kandungan atom nitrogen akan mengalami berbagai proses hingga menjadiureauntuk kemudian diekskresi.

Setiap asam amino memiliki lintasan metabolismenya masing-masing, lengkap dengan perangkatenzimatiknya.

Siklus urea

Padaeukariota,siklus urea (bahasa Inggris:urea cycle, ornithine cycle) merupakan bagian dari siklus nitrogen, yang meliputi reaksi konversiamoniamenjadiurea.Siklus ini ditemukan pertama kali olehHans KrebsdanKurt Henseleitpada tahun 1932.

Padamamalia,siklus urea terjadi di dalamhati,produk urea kemudian dikirimkan keorganginjaluntuk diekskresi. Dua jenjang reaksi pada siklus urea terjadi di dalammitokondria.Ringkasan reaksi siklus urea adalah:

${\mbox{2NH}}_{3}+{\mbox{CO}}_{2}+{\mbox{3ATP}}\rightarrow {\mbox{NH}}_{2}.{\mbox{NH}}_{2}.{\mbox{CO}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+{\mbox{3ADP}}$

Amonia

Amonia merupakan produk dari reaksideaminasi oksidatifyang bersifat toksik. Padamanusia,kegagalan salah satu jenjang pada siklus urea dapat berakibat fatal, karena tidak terdapat lintasan alternatif untuk menghilangkan sifat toksik tersebut selain mengubahnya menjadi urea. Defisiensienzimatikpada siklus ini dapat mengakibatkansimtomahiperamonemiayang dapat berujung padakelainan mental,kerusakanhatidankematian.Sirosispada hati yang diakibatkan oleh konsumsialkoholberlebih terjadi akibat defisiensi enzim yang menghasilkanSarbamil fosfatpada jenjang reaksi pertama pada siklus ini.

Ikanmempunyai rasio amonia yang rendah di dalam darah, karena amonia diekskresi sebagai gugusamidadalam senyawaglutamina.Reaksihidrolisispada glutamina akan menkonversinya menjadiasam glutamatdan melepaskan gugus amonia.

Sedangkan manusia hanya mengekskresi sedikit sekali amonia, yang dikonversi oleh asam di dalamurinmenjadiionNH₄⁺,sebagai respon terhadapasidosiskarena amonia memiliki kapasitas sepertilarutan penyanggayang menjagapHdarahdengan menetralkan kadar asam yang berlebih.

Urea

Urea merupakan zat diuretikhigroskopikdengan menyerap air dariplasma darahmenjadi urin. Kadar urea dalam darah manusia disebut BUN (bahasa Inggris:Blood Urea Nitrogen). Peningkatan nilai BUN terjadi padasimtomauremiadalam kondisigagal ginjalakut dan kronis atau kondisigagal jantungdengan konsekuensitekanan darahmenjadi rendah dan penurunan laju filtrasi pada ginjal. Pada kasus yang lebih buruk,hemodialisisditempuh untuk menghilangkan larutan urea dan produk akhirmetabolismedari dalam darah.

Pada hewan sepertiburungdanreptilyang harus mencadangkanairdi dalam tubuhnya, nitrogen diekskresi sebagaiasam uratyang bersenyawa dengan sedikit kandungan air. Sedang pada manusia, asam urat tidak disintesis dari amonia, melainkan dariadeninadanguaninayang terdapat pada berbagainukleotida.Asam urat biasanya diekskresi dalam jumlah sedikit, melalui urin. Kadar asam urat dalam darah dapat meningkat pada penderita gangguan ginjal danleukemia.Bentukgaramdari asam urat dapat mengendap menjadibatu ginjalmaupunbatu kemih.Padaartritis,endapan garam dari asam urat terjadi pada tulang rawan yang terdapat pada persendian.

Jenjang reaksi

Sarbamil fosfat sintetase,sebuahenzim,merupakankatalispada reaksi dengansubstratNH₃,CO₂danATPmenjadisarbamil fosfat,

${\rm {CO_{2}+NH_{3}+2ATP\rightarrow NH_{2}.OCO.PO_{3}+2ADP+H_{2}O}}$

yang kemudian diaktivasi olehasam N-asetilglutamatyang terbentuk dariasam glutamatdanasetil-KoAdengan enzimN-asetilglutamat sintetase.N-asetilglutamat merupakan regulator yang penting dalamureagenesisselainarginina,kortikosteroiddanproteinyang lain.

Reaksikondensasiyang terjadi padaornitinalantas memicu konversi sarbamil fosfat menjadisitrulinadengan bantuan enzimornitina transarbamilase.

Kemudian sitrulina dilepaskan dari dalam matriks menujusitoplasma,dankondensasiterjadi denganasam aspartatdan enzimargininosuksinat sintetase,membentukasam argininosuksinat,yang kemudian diiris olehargininasuksinat liasemenjadiasam fumaratdanarginina.Asam fumarat akan dioksidasi dalamsiklus sitratdi dalammitokondria,sedangkan arginina akan teriris menjadiureadanornitinadengan enzimarginase hepatik.Baik argininosuksinat liase maupun arginase diinduksi oleh rasalapar,dibutiril cAMPdan kortikosteroid.

Siklus urea selama puasa

Selama puasa, hati menjaga tingkat glukosa darah. Asam amino dari protein otot adalah sumber karbon utama untuk produksi glukosa dengan jalur glukoneogenesis. Karena karbon asam amino dikonversi menjadi glukosa, maka nitrogen diubah menjadi urea. Dengan demikian, ekskresi urin mengandung banyak urea selama puasa. Selama puasa berjalan, otak memulai menggunakan badan keton untuk menghemat glukosa darah. Semakin sedikit protein otot dipecah untuk penyediaan asam amino untuk glukoneogenesis, dan penurunan produksi glukosa dari asam amino diimbangi dengan penurunan produksi urea.

Substrat asam amino utama untuk glukoneogenesis adalah alanin, yang disintesis pada jaringan perifer untuk beraksi sebagai pembawa nitrogen. Pelepasan glukagon, yang diharapkan selama puasa, menstimulasi pengangkutan alanin ke hati dengan pengaktifan transkripsi sistem pengangkut untuk alanin. Dua molekul alanin dibutuhkan untuk menghasikan satu molekul glukosa. Nitrogen dari dua molekul alanin diubah menjadi satu molekul urea.

Lihat pula

• Siklus asam sitrat