SIKLUS UREA

SIKLUS UREA

BAB I

PENDAHULUAN

Sebagian besar energi metabolik yang dihasilkan didalam jaringan berasal dari oksidasi karbohidrat dan triasilgliserol, yang bersama-sama memberikan energi sampai 90% kebutuhan energi laki-laki dewasa. Sisanya sebanyak 10%-15% tergantung pada makanan yang diberikan oleh oksidasi asam amino.

Walaupun asam amino terutama sebagai unit pembangun bagi biosintesis protein, molekul ini dapat mengalami degradasi oksidatif didalam tiga keadaan metabolik yang berbeda. (1) Selama putaran dinamik normal protein tubuh, asam amino yang dibebaskan, jika tidak diperlukan untuk sintesis protein tubuh yang baru maka protein ini dapat mengalami degradasi oksidatif. (2) Jika asam amino termakan dalam jumlah yang melebihi kebutuhan tubuh terhadap sintesis protein, kelebihan ini dapat dikatabolisis, karena asam amino tidak dapat disimpan. (3) Selama berpuasa atau pada penderita diabetes mellitus, apabila karbohidrat tidak tersedia, atau tidak dimanfaatkan sebagaimana mestinya maka protein tubuh dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Pada keadaan yang berlainan, asam amino membebaskan gugus aminonya, dan asam α-keto yang terbentuk dapat teroksidasi menjadi karbondioksida dan air, sebagian melalui siklus asam sitrat.

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Siklus Nitrogen

Gambar 1. Siklus Nitrogen

Lintas biosintetik menuju asam amino dan nukleotida sama-sama memerlukan nitrogen, tetapi senyawa nitrogen yang dapat larut yang bermanfaat bagi aktivitas biologik biasanya jarang terdapat dilingkungan alamiah. Karena alasan ini, ammonia, asam amino, dan nukleotida dipergunakan secara ekonomis oleh kebanyakan organisme, terutama karena senyawa-senyawa tersebut merupakan prekursor bagi asam nukleat dan proteinnya.

Bentuk nitrogen yang paling banyak dijumpai terdapat diudara, yang mengandung sampai empat per lima adalah molekul nitrogen (N₂). Akan tetapi, hanya beberapa spesies saja yang dapat mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk nitrogen yang bermanfaat bagi organisme hidup, yang karenanya, menghemat dan menggunakan kembali nitrogen yang tersedia secara biologik di dalam siklus nitrogen yang demikian luas.

1.    Fiksasi Nitrogen

Tahap pertama di dalam siklus nitrogen adalah fiksasi nitrogen atmosfer oleh organisme pengikat nitrogen, yang menghasilkan ammonia (NH₃). Amonia dapat dimanfaatkan oleh hampir semua organisme hidup baik secara langsung atau setelah pengubahannya menjadi senyawa terlarut lainnya, seperti nitrit, nitrat, atau asam amino.

Mikroorganisme yang memfiksasi nitrogen disebut mikroorganisme diazotrofik. Hanya beberapa spesies mikroorganisme dan tanaman yang dapat melakukan fiksasi nitrogen atmosfer, yaitu:

a.      Beberapa bakteri yang hidup bebas, seperti sianobakteri atau ganggang hijau biru, yang terdapat tidak hanya di dalam air tawar dan air asin, tetapi juga pada tanah dan jenis-jenis bakteri tanah lainnya, seperti Azotobacter  mampu melakukan fiksasi nitrogen atmosfer.

b.     Jenis fiksasi nitrogen lainnya terjadi pada tanaman leguminosa, yang mencakup kacang-kacangan, cengkeh, di dalam suatu proses yang memerlukan kerjasama tanaman inang dan bakteri simbiotik yang hidup pada bintil akarnya yaitu bakteri Rhizobium. Tipe fiksasi nitrogen ini dinamakan fiksasi nitrogen simbiotik. Enzim yang mengkatalisis fiksasi nitrogen sebenarnya terletak pada bakteri yang hidup dibintil akar, tetapi tanaman menyediakan komponen essensial yang tidak ada dibakteri.

Gambar 2. Bintil pengikat nitrogen pada akar tanaman leguminosa. Bakteri simbiotik pengikat nitrogen tumbuh mengelompok pada sel akar.

Jumlah N₂ yang difiksasi oleh mikroorganisme diazotrofik mencapai 10¹¹ kg per tahun, jadi lebih kurang 60% dari fiksasi nitrogen yang baru dipermukaan bumi. Petir dan radiasi ultraviolet memfiksasi 15% dan sekitar 25% lainnya berasal dari berbagai proses pada industri.

Fiksasi nitrogen dikatalis oleh suatu kompleks enzim, yaitu kompleks nitrogenase, yang aktivitasnya masih belum dipahami sepenuhnya. Karena sistem nitrogenase bersifat tidak stabil dan segera mengalami inaktivasi oleh oksigen atmosfer, enzim ini sulit untuk diisolasi dalam bentuk aktif dan dimurnikan. Enzim yang mengkatalis fiksasi nitrogen terletak pada bakteri yang hidup dibintil akar, tetapi tanaman menyediakan komponen esensial yang tidak ada pada bakteri.

Produk fiksasi nitrogen stabil yang pertama dikenali adalah ammonia (NH₃), jadi proses keseluruhan dipandang terdiri dari reduksi nitrogen (N₂) molekulor menjadi dua molekul ammonia. Kompleks nitrogenase, yang melaksanakan proses transformasi dasar ini terdiri dari dua macam protein yaitu suatu reduktase yang menyediakan elektron dengan daya reduksi yang sangat kuat dan suatu nitrogenase yang akan memakai elektron itu untuk mereduksi N₂ menjadi NH₃. Kedua komponen kompleks nitrogenase yaitu reduktase dan nitrogenase merupakan protein besi-belerang. Reduktase disebut juga protein besi atau Fe-protein, sedangkan komponen nitrogenasenya disebut juga protein molybdenum-besi (Mo-Fe-protein). Kofaktor Fe-Mo terdiri atas dua rumpun yang saling dihubungkan oleh 3 atom belerang. Kofaktor Fe-Mo merupakan situs untuk fiksasi nitrogen.

Gambar 3. Struktur kofaktor Fe-Mo dalam nitrogenase

Pemindahan elektron dari reduktase ke nitrogenase dirangkaikan kepada reaksi hidrolisis ATP oleh reduktase. Kompleks nitrogenase ini sangat sensitive terhadap O₂ yang dapat menyebabkan inaktivasi proses ini. Kacang-kacangan dapat memelihara kadar O₂ bebas yang sangat rendah pada nodul-nodul diakarnya melalui cara pengikatan O₂ kepada leghemoglobin, yang merupakan homolog dari hemoglobin.

Reduksi N₂ menjadi NH₃ merupakan proses yang menggunakan 6 elektron.

N₂ + 6 e^- + 6H à 2 NH₃

Reduktase ini tidak seluruhnya sempurna. H₂ juga dibentuk bersama-sama NH₃. Jadi untuk ini diperlukan tambahan 2 elektron.

N₂ + 8 e^- + 8H à 2NH₃ + H₂

Gambar 4. Reduktase (Fe protein) dan Nitrogenase (MoFe protein)

Pada mikroorganisme yang melakukan fiksasi nitrogen, kedelapan elektron berpotensial tinggi itu berasal dari feredoksin tereduksi dihasilkan dalam kloroplast oleh kerja fotosistem I. Melalui jalan lain feredoksin tereduksi dapat pula dibentuk dari proses oksidatif. Fiksasi nitrogen memerlukan biaya energi yang sangat besar. Paling sedikit 16 ATP dihidrolisis untuk setiap molekul N₂ yang direduksi. Persamaan keseluruhan bagi fiksasi nitrogen dapat dituliskan sebagai berikut:

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

2.     Nitrifikasi Nitrogen

Ammonia dapat dimanfaatkan oleh hampir semua organisme hidup. Akan tetapi, terdapat beberapa bakteri tanah penting yang memperoleh energinya dengan mengoksidasi ammonia untuk membentuk nitrit dan akhirnya nitrat. Karena organisme ini sangat banyak dan aktif, hampir semua ammonia yang mencapai tanah akhirnya teroksidasi menjadi nitrat. Proses yang sedemikian ini disebut dengan nitrifikasi.

Tahap pertama dalam proses nitrifikasi ini adalah oksidasi ammonia menjadi nitrit oleh bakteri nitrit. Ada beberapa contoh dari bakteri nitrit ini, antara lain nitrosomonas, nitrosococcus, nitrosopira, nitrosolobus, dan nitrosovibro. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

NH₄⁺ + 1.5O_2(aq) à NO₂^- + H₂O + 2H⁺ + energi

Tahap selanjutnya adalah oksidasi nitrit menjadi nitrat yang dilakukan oleh bakteri nitrat. Contoh dari bakteri nitrat adalah nitrobacter, nitrospina, nitrococcus, dan nitrospira. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

NO₂^- + 0.5O_2(aq) à NO3^-

Proses konversi nitrit menjadi nitrat sangat penting karena nitrit merupakan racun bagi kehidupan tanaman.        

3.     Denitrifikasi Nitrogen

Nitrogen biasanya diikat dalam bentuk amonia. Amonia ini selanjutnya akan dinitrifikasi sehingga menghasilkan nitrat (NO₃^-) yang akan diserap oleh akar tanaman. Tanaman dan banyak bakteri dapat segera mereduksi nitrat kembali menjadi amonia melalui aktivitas nitrat reduktase dan amonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogen akan berulang dalam ekosistem.

Gambar 5. Denitrifikasi

Denitrifikasi adalah proses reduksi nitrat untuk kembali menjadi gas nitrogen (N₂), untuk menyelesaikan siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostridium dalam kondisi anaerobik. Bakteri-bakteri tersebut menggunakan nitrat sebagai akseptor elektron di tempat oksigen selama respirasi.

Denitrifikasi umumnya berlangsung melalui beberapa kombinasi dari bentuk peralihan sebagai berikut.

NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO + N₂O → N₂ (g)

Dengan penguraian reaksi reduksi dan oksidasinya adalah sebagai berikut:

-        Reaksi Reduksi

NO₃ + 2e⁻ +2H⁺ à NO₂⁻ + H₂O dengan bantuan bakteri Arthrobacter dan Baccillus

-        Reaksi Oksidasi

NO₂⁻ + 2H⁺ + e⁻ à NO + H₂O dengan bantuan bakteri Chromobacterium dan Coryenbacterium

2NO +2H⁺ + 2e⁻ à N₂O + H₂O dengan bantuan bakteri Flavobacterium dan Hypomicrobium

N₂O + 2H⁺ + 2e⁻ à N₂ + H₂O dengan bantuan bakteri Moraxella, Neisseria, Paracoccus, Propionbacterium, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas

Sehingga, proses denitrifikasi lengkap dapat dinyatakan sebagai reaksi redoks berikut ini:

2 NO₃⁻ + 10 e⁻ + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O

Gambar 6. Siklus nitrogen

Amonia yang terbentuk dapat dibangun menjadi asam amino oleh tanaman, yang kemudian dipergunakan oleh hewan sebagai sumber asam amino esensial dan nonesensial untuk membangun protein hewan. Pada hewan yang telah mati, degradasi protein mikrobial mengembalikan amonia ke tanah Selanjutnya bakteri nitrifikasi mengubahnya menjadi nitrit (NO₂⁻) dan nitrat (NO₃⁻) kembali.

 

B.    Pemindahan Gugus α-Amino Dikatalis oleh Transaminase

Gugus α-amino dari ke 20 asam L-amino yang biasa dijumpai pada protein, pada akhirnya dipindahkan pada tahap tertentu dalam degradatif oksidatif molekul tersebut. Jika tidak dipergunakan kembali untuk sintesis asam amino yang baru atau produk nitrogen lainnya, gugus amino ini dikumpulkan dan lambat laun diubah menjadi satu produk akhir yang dapat dikeluarkan. Pada manusia dan kebanyakan vertebrata daratan, bentuk ini adalah urea. Pembebasan gugus α-amino dari kebanyakan asam L-amino dikatalisa oleh enzim yang disebut transaminase atau aminotransferase.

Gambar 7. Reaksi transaminase oleh enzim transaminase (piridoksal fosfat)

Pada reaksi ini, yang kita kenal juga sebagai transaminasi, gugus α-amino dipindahkan secara enzimatik ke atom karbon α pada α-ketoglutarat, sehingga dihasilkan asam α-keto, sebagai analog dengan asam amino yang bersangkutan. Reaksi ini juga menyebabkan aminasi αketoglutarat, membentuk L-glutamat.

Asam L-α-amino + α-ketoglutarat ↔ asam α-keto + L-glutamat

Perhatikan bahwa kita tidak menjumpai deaminasi total, atau hilangnya gugus amino di dalam reaksi ini, karena α-ketoglutarat teraminasi pada saat asam α-amino mengalami deaminasi. Tujuan keseluruhan reaksi transaminasi adalah mengumpulkan gugus amino dari berbagai asam amino dalam bentuk hanya satu asam amino, yakni L-glutamat. Jadi katabolisme gugus asam amino menyatu menjadi produk tunggal.

Gambar 8. Siklus krebs

Kebanyakan transaminase bersifat spesifik bagi α-ketoglutarat sebagai molekul penerima gugus amino di dalam reaksi ini seperti dituliskan di atas. Namun demikian, enzim tersebut tidak terlalu spesifik bagi substratnya yang lain, yaitu asam L-amino yang memberikan gugus aminonya. Beberapa transaminase yang paling penting, yang dinamakan sesuai dengan molekul pemberi aminonya, ditunjukkan oleh persamaan di bawah ini:

L-Alanin + α – ketoglutarat ↔ piruvat + L- glutamate

(alanin transaminase)

L-Aspartat + α–ketoglutarat ↔ oksaloasetat + L-glutamat

(aspartat tansaminase)

L-Leusin + α–ketoglutarat ↔ α- ketoisokaproat + L-glutamat

(leusin transaminase)

L-Tirosin + α–ketoglutarat ↔ P-hidroksitenilpiruvat + L-glutamat

(tirosin transaminase)

Jadi, α-ketoglutarat merupakan senyawa umum penerima gugus amino dari kebanyakan asam amino yang lain. L-glutamat yang terbentuk berperan untuk menyampaikan gugus amino kepada lintas biosintetik tertentu atau menuju ke urutan akhir reaksi ini. Di sini, hasil buangan bernitrogen dibentuk dan lalu dikeluarkan dari tubuh. Reaksi yang dikatalisis oleh transminase bersifat dapat balik, karena tetapan keseimbangannya mencapai kira-kira 1,0. Harga ∆Gº’ bagi reaksi tersebut, oleh karenanya mendekati nol.

Semua transaminase memiliki gugus prostetik yang terikat kuat dan mekanisme reaksi yang bersifat umum. Gugus prostetik piridoksal fosfat, merupakan turunan piridoksin atau vitamin B6. Piridoksal fosfat berfungsi sebagai senyawa antara pembawa gugus amino pada sisi aktif transaminase. Selama berlangsungnya siklus katalistik, molekul ini mengalami perubahan dapat balik di antara bentuk aldehidanya, piridoksal fosfat, yang dapat menerima gugus amino, dan bentuk teraminasinya piridoksamin fosfat, yang dapat memberikan gugus aminonya kepada α-ketoglutarat. Dengan cara ini, gugus prostetik bertindak sebagai molekul pembawa sementara gugus amino (yang bersifat dapat balik) dari suatu asam amino menuju α-ketoglutarat.

Gambar 9. Metabolisme Vitamer-Vitamer Vitamin B6 Pada Sel Hewan

Transaminase merupakan contoh klasik enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi ping-pong bimolecular. Pada reaksi tersebut, substrat pertama harus meninggalkan sisi aktif enzim sebelum substrat kedua dapat terikat. Jadi, asam amino yang datang mengikat sisi aktif, memberikan gugus aminonya ke piridoksal fosfat, dan meninggalkan enzim dalam bentuk suatu asam α-keto. Lalu, asam α-keto yang datang diikat, menerima gugus amino dari piridoksamin fosfat, dan meninggalkan enzim, sekarang dalam bentuk suatu asam amino.

Gugus karbonil dari piridoksal fosfat yang terikat oleh enzim bergabung dengan gugus α-amino dari asam amino yang datang, membentuk senyawa antara yang berikatan kovalen, yaitu sejenis senyawa yang disebut basa Schiff. Suatu perpindahan ikatan ganda C=N terjadi setelah itu, dan kerangka karbon asam amino yang terikat kovalen pada gugus prostetik dalam bentuk pirikdosamin fosfat. Molekul ini sekarang membentuk basa Schiff dengan α-ketoglutarat yang datang, yang segera menerima gugus asam amino, pada hakekatnya melalui kebalikan reaksi yang membentuknya.

Pengukuran aktivitas transminase alanin dan aspartat di alam serum darah merupakan prosedur diagnostic yang penting di dalam ilmu kedokteran, yang digunakan untuk menentukan gawatnya serangan jantung dan untuk memantau penyembuhan penyakit ini. Pengukuran ini juga dipergunakan untuk mendetaksi pengaruh racun beberapa kimiawi industri.

C.    Ammonia Dibentuk dari Glutamat

Kita telah melihat bahwa gugus amino dipindahkan dari hampir semua asam α-amino oleh transaminasi ke α-ketoglutarat membentuk L-glutamat. Glutamate mengalami deaminasi oksidatif oleh aktivitas L-glutamat dehigronase, yang memerlukan NAD⁺ sebagai molekul penerima ekuivalen pereduksi:

L-glutamat⁺ + NAD⁺ + H₂O ↔ α-ketoglutarat^2- 3NH₄ + NADH + H⁺

Enzim ini terdapat hanya dalam mitokondria, yaitu pada matriksnya. Glutamate dehidronase menyababkan terbentuknya hampir semua ammonia di dalam jaringan hewan, karena glutamate merupakan satu-satunya asam amino dengan gugus α-amino yang dapat secara langsung dilepaskan pada kecepatan tinggi dengan cara tersebut. Glutamat dan glutamate dehidronase memegang peranan yang unik di dalam metabolisme golongan amino.

Glutamate dehidronase merupakan enzim alosterik yang kompleks. Berat molekulnya kira-kira 300.000, dan enzim ini terdiri dari enam subunit yang identik terhadap sesamanya, masing-masing mengandung satu rantai polipeptida yang terdiri dari 500 residu. Enzim tersebut diaktifkan dengan kuat oleh modulator positif ADP, tetapi dihambat oleh GTP, yang merupakan produk reaksi suksinil-KoA sintetase di dalam siklus asam sitrat. Bilamana sel hati memerlukan bahan bakar bagi siklus asam sitrat untuk membentuk ATP, aktivitas glutamate dehidrogenase meningkat, menyebabkan α-ketoglutarat tersedia bagi siklus asam sitrat dan membebaskan NH₃ untuk dikeluarkan di dalam tubuh. Sebaliknya, bilamana GTP terakumulasi di dalam mitokondria sebagai akibat aktivitas yang tinggi pada siklus asam sitrat, deaminasi oksidatif glutamate menjadi terhambat.

Ammonia dapat dihemat dan digunakan kembali di dalam sintesis asam amino. Dalam hal ini, glutamate dehidrogenase bekerja dalam arah kebalikannya, mereduksi ammonia dan α-ketoglutarat untuk memebentuk glutamate. Namun demikian, reaksi ini dijalankan oleh reaksi yang berkaitan dengan NADP, dan bukannya hanya kebalikan dari reaksi yang berkaitan dengan NAD, yang sederhana, seperti dituliskan di atas.

NADPH + NH₄⁺ + α-ketoglutarat^2- → NADP⁺ + glutamate^- + H₂O

Penggunaan kedua koenzim yang berbeda oleh glutamate dehidrogenase untuk membebaskan dan menarik NH₃ memungkinkan regulasi yang tidak tergantung pada deaminasi glutamate dan aminasi α-ketoglutarat, walaupun keduanya dikatalisa oleh enzim yang sama.

D.    Urea Dibentuk oleh Siklus Urea

Pada hewan, ureotelik, ammonia yang dihasilkan dari deaminasi asam amino diubah menjadi urea di dalam hati oleh mekanisme siklik, yaitu siklus urea, yang pertama kali ditemukan leh Hans Krebs dan Kurt Henseleit pada 1932. Krebs dan Henseleit menemukan bahwa kecepatan pembentukan urea dari ammonia oleh irisan tipis hati yang disuspensikan di dalam medium buffer aerobic dipercepat oleh penambahan salah satu dari tiga senyawa spesifik, ornitin, sitrulin, atau arginin.

Gambar 10. Ketiga asam amino yang ditemukan oleh Krebs.

Arginin tentunya merupakan salah satu asam amino baku yang ditemukan pada protein. Walaupun ornitin dan sitrulin juga merupakan asam α-amino, golongan ini tidak terdapat sebagai unit pembangun molekul protein. Ketiga senyawa ini merangsang aktivitas sintesis urea jauh melampaui aktivitas senyawa bernitrogen umum lainnya yang diuji. Struktur ketiga senyawa aktif ini memperlihatkan bahwa ketiganya mungkin berhubungan satu sama lain dalam satu urutan, dengan ornitin sebagai pemula sitrulin dan selanjutnya sitrulin menjadi pemula arginin.

Arginin telah lama diketahui dapat terhidrolisa menjadi ornitin dan urea oleh kerja enzim arginase.

Arginin + H₂O à ornitin + urea

Krebs menyimpulkan bahwa suatu proses siklik terjadi, dengan ornitin memegang peranan serupa dengan oksalaasetat di dalam siklus asam sitrat. Molekul ornitin bergabung dengan satu molekul NH₃ dan satu CO₂ membentuk sitrulin. Molekul kedua ammonia ditambahkan ke sitrulin, membentuk arginin, yang lalu terhidrolisis menghasilkan urea, dengan pembentukan kembali molekul ornitin. Semua organisme yang mampu melakukan biosintesis arginin dapat mengkatalisis reaksi-reaksi ini sampai ke titik arginin, tetapi hanya hewan ureotelik yang dilengkapi sejumlah besar enzim arginase, yang mengkatalisis hidrolisis tidak dapat kembali menjadi arginin, membentuk urea dan ornitrin. Ornitrin yang diregenerasi ini lalu siap untuk memulai putaran selanjutnya siklus urea ini.

Gambar 11. Siklus urea seperti yang pertama dikemukakan oleh Krebs dan Henseleit.

Urea, yang merupakan produk siklus ini, merupakan senyawa netral, tidak beracun dan larut di dalam air. Molekul ini diangkut melalui darah menuju ginjal dan dikeluarkan ke dalam urin.

E.    Siklus Urea Terdiri Atas Beberapa Tahap Kompleks

Gambar 12. Siklus Urea

Gugus amino pertama yang memasuki siklus urea muncul dalam bentuk ammonia bebas, oleh deasimenasi oksidatif glutamate di dalam mitokondria sel hati. Reaksi ini dikatalisis oleh glutamate dehidrogenase, yang memerlukan NAD⁺.

Glutamat^- + NAD⁺ + H₂O ↔ α-ketoglutarat^2- + NH₄⁺ + NADH + H⁺

1.     Reaksi pada sintesis karbamil fosfat

Amonia bebas yang terbentuk segera dipergunakan, bersama-sama dengan karbon dioksida yang dihasilkan di dalam mitokondria oleh respirasi, untuk membentuk karbamoil fosfat di dalam matriks, pada suatu reaksi yang bergantung kepada ATP, yang dikatalisis oleh enzim karbamoil fosfat sintetase I. Angka Romawi ini menunjukkan bentuk mitokondria enzim ini, untuk membendakannya dari bentuk sitosolnya (II).

Dalam reaksi pembentukan karbamil fosfat ini, satu mol ammonia bereaksi dengan satu mol karbondioksida dengan bantuan enzim karbamoil fosfat sintetase. Reaksi ini membutuhkan energy, karenanya reaksi ini melibatkan dua mol ATP yang diubah menjadi ADP. Disamping itu sebagai kofaktor dibutuhkan Mg²⁺ dan N-asetil-glutamat.

 Karbamoil fosfat                                                             ΔG^o= -3,3 kkal/mol

Karbamoil fosfat sintetase I merupakan enzim pengatur, enzim ini memerlukan N-asetilglutamat sebagai modulator positif atau perangsangnya. Karbamoil fosfat merupakan senyawa berenergi tinggi, molekul ini dapat dipandang sebagai suatu pemberi gugus karbamoil yang telah diaktifkan. Perhatikan bahwa gugus fosfat ujung dari dua molekul ATP dipergunakan untuk membentuk satu molekul karbamoil fosfat.

2.     Reaksi pada pembentukan siturulin

Pada tahap selanjutnya dari siklus urea, karbamoil fosfat memberikan gugus karbamoilnya kepada ornitin untuk membentuk sitrulin dan membebaskan fosfatnya, dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh ornitin transkarbamoilase yang terdapat pada bagian mitokondria sel hati, yakni enzim mitokondria yang memerlukan Mg²⁺.

Karbamoil fosfat + ornitin à sitrulin + P_i^- + H⁺

Sitrulin yang terbentuk sekarang meninggalkan mitokondria dan menuju ke dalam sitosol sel hati.

Gugus amino yang kedua sekarang datang dalam bentuk L-aspartat, yang sebaliknya diberikan dari L-glutamat oleh kerja aspartat transaminase.

Oksalasetat + L-glutamat ↔ L-aspartat + α-ketoglutarat

 L-Glutamat tentunya menerima gugus amino dari kebanyakan asam amino umum lainnya oleh transaminasi menjadi α-ketoglutarat. Pemindahan gugus amino kedua ke sitrulin terjadi dengan reaksi pemadatan di antara gugus amino aspartat dan karbon karbonil sitrulin dengan adanya ATP, untuk membentuk agininosuksinat. Reaksi ini dikatalisa oleh arginosuksinat sintetase sitosol hati, suatu enzim yang tergantung kepada Mg²⁺.

3.     Reaksi pada asam argininosuksinat

Selanjutnya siturulin bereaksi dengan asam aspartat membentuk asam argininosuksinat. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuksinat sintese. Dalam reaksi tersebut ATP merupakan sumber energy dengan jalan melepaskan gugus fosfat dan berubah menjadi AMP.

Sitrulin + aspartat + ATP → argininosuksinat + AMP + PP_i + H⁺

Pada tahap selanjutnya argininosuksinat segera terurai oleh argininosuksinat liase untuk membentuk arginin dan fumarat bebas.

Argininosuksinat ↔ arginin + fumarat

Fumarat yang terbentuk, kembai menuju kumpulan senyawa antara siklus asam sitrat.

4.     Reaksi pada penguraian asam argininosuksinat

Dalam reaksi ini asam asam argininosuksinat diuraikan menjadi arginin dan asam fumarat. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuksinase, suatu enzim yang terdapat dalam hati dan ginjal.

F.     Daur Urea Berkaitan dengan Daur Asam Sitrat

Stokiometri sintesis urea adalah:

CO₂+NH₄⁺+3ATP+Aspartat+2H₂OàUrea+2ADP+2Pi+AMP+PPi+fumarat

Pirofosfat dihidrolisis dengan cepat dan dengan demikian 4 ikatan fosfat energy tinggi (-P) digunakan dalam reaksi ini untuk membentuk 1 molekul urea. Sintesis asam fumarat pada daur urea merupakan reaksi penting sebab reaksi ini mengkaitkan daur urea dengan daur asam sitrat. Fumarat mengalami hidrasi menjadi malat, yang pada gilirannya dioksidasi menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat dapat mengalami:

1.     Mengalami transaminasi menjadi aspartat

2.     Berubah menjadi glukosa melalui jalur glukoneogenesis

3.     Berkondensasi dengan Asetil Ko-A membentuk sitrat

4.     Berubah menjadi pirufat

Gambar 12. Kaitan daur urea dengan daur asam sitrat

Pengkotak-kotakan daur urea dan reaksi-reaksi yang menyertainya juga penting. Pembentukan NH₄⁺ oleh glutamate dehidrogenase, penggabungannya ke dalam karbomoil fosfat dan sintesis siturulin berikutnya terjadi di matriks mitokondria. Sebaliknya tiga reaksi dalam daur urea berikutnya terjadi dalam sitosol. 

G. Pengeluaran Kelebihan NH₄⁺ pada Hewan

Dari penelitian biokimia komparatif pada berbagai spesies hewan, telah ditemukan bahwa nitrogen amino dikeluarkan dalam salah satu dari tiga bentuk utama, yaitu sebagai ammonia, urea, atau sebagai asam urat. Kebanyakan spesies ekuatik, seperti golongan teleos atau ikan bertulang, mengeluarkan nitrogen amino sebagai ammonia dan karenanya dinamakan hewan ammonotelik; kebanyakan hewan terrestrial (daratan) mengeluarkan nitrogen amino dalam bentuk urea dan karenanya merupakan hewan ureotelik; dan burung, kadal, serta ular mengeluarkan nitrogen aminonya sebagai asam urat dan dinamakan hewan urikotelik.

Dasar perbedaan tersebut terletak pada anatomi dan fisiologi organisme yang berbeda dalam hubungannya dengan kebiasaan organisme tersebut. Ikan bertulang mengangkut nitrogen amino di dalam darah sebagai glutamine, tetapi mengeluarkannya dalam bentuk ammonia melalui insangnya, yang mengandung glutaminase, dan karenanya menyebabkan hidrolisis glutamine menjadi glutamate dan ammonia. Karena ammonia larut di dalam air, molekul ini segera terbawa pergi dan terlarutkan oleh sejumlah besar air yang melalui insang tersebut. Ikan bertulang, karenanya memerlukan sistem urin yang kompleks untuk mengeluarkan ammonia.

Namun demikian, selama berlangsung evolusi biologi dan beberapa spesies akuatik belajar hidup pada daerah kering, pengeluaran nitrogen amino sebagai ammonia melalui insang tidak dimungkinkan. hewan daratan lambat laun mengembangkan metode yang berbeda untuk mengeluarkan nitrogen amino. Hewan tersebut memerlukan ginjal dan kelenjar urin untuk mengeluarkan produk buangan bernitrogen yang larut dalam air, tetapi karena NH₃ bebas dapat segera dapat segera menembus membrane secara langsung ke dalam urin dapat mengakibatkan absorbsinya kembali ke dalam darah. Terdapat kerugian lain karena ammonia terdapat di dalam darah terutama sebagai ion NH₄⁺, pengeluarannya akan memerlukan pengeluaran anoin dalam jumlah yang sama seperti anion klorida atau fosfat. Untuk menghasilkan hal yang kompleks ini kebanyakan hewan darat dilengkapi oleh kemampuan mengeluarkan nitrogen amino sebagai urea, yang bersifat netral, larut di dalam air, dan tidak beracun. Akan tetapi, kapasitas untuk membuat dan mengeluarkan urea memerlukan tenaga dalam bentu energi ATP.

Pada burung, faktor berat merupakan pertimbangan penting, karena pengeluaran urea ke dalam urin memerlukan dikeluarkannya juga sejumlah besar volume air, pada masa evolusinya burung belajar mengeluarkan n itrogen amino dalam bentuk yang tidak memerlukan sejumlah besar air untuk diangkut dan dikeluarkan. Makhluk ini mengubah nitrogen amino menjadi asam urat, yaitu senyawa yang relatif tidak larut, yang dikeluarkan sebagai masa semi solid, kristal asam urat yang mengandung hanya sedikit air.

NH3 (ammonia)	Hewan amonotelik: Kebanyakan vertebrata, akuatik, terutama ikan bertulang, dan larva amfibi
	Hewan ureotelik: Kebanyakan vertebrata daratan, juga ikan hiu.
	Hewan urikotelik: Burung, ular, dan kadal

Untuk mencapai pengeluaran (ekskresi) nitrogen amino dalam bentuk padatan asam urat, burung harus melangsungkan kerja metabolik yang cukup berat, karena biosintesis asam urat merupakan proses kompleks yang memerlukan energi. Pentingnya habitat dalam pengeluaran nitrogen amino digambarkan oleh perubahan dalam jalur pengeluaran nitrogen yang terjadi bila mana kecebong mengalami metamorphosis menjadi katak dewasa. kecebong secara keseluruhan bersifat akuatik dan mengeluarkan nitrogen amino sebagai ammonia melalui insangnya. Hati kecebong tidak memilki enzim yang diperlukan untuk membuat urea, tetapi selama terjadinya metamorphosis, organ ini berkembang sehingga terbentuk enzim tersebut dan menjadi tidak lagi dapat mengeluarkan ammonia. Pada katak dewasa yang lebih banyak hidup di daratan, nitrogen ammonia dikeluarkan hampir seluruhnya sebagai urea.

Pada hewan uriotelik (burung ular dan kadal), asam urat merupakan bentuk utama penyaluran nitrogen amino ke luar tubuh. Asam urat juga ternyata merupakan produk akhir utama metabolisme urin pada primata, burung, dan reptilia. Asam urat merupakan molekul kompleks dengan sistem dua cincin terkondensasi yang disebut nukleus purin. Bagian adenin dan guanin pada nukleotida, adenin dan guanin juga termasuk golongan purin. Lintas sintesis asam urat dari gugus amino memiliki beberapa (banyak) tahapan, karena nukleus purin harus dibangun secara bertahap dari sejumlah pemula sederhana.  

Gambar 13. Asal mula atom karbon dan nitrogen asam urat

Gambar di atas memperlihatkan asal mula atom karbon dan nitrogen asam urat. Pengeluaran nitrogen amino sebagai asam urat oleh burung-burung, dan kadal. Atom nitrogen pada asam urat diturunkan dari gugus α-amino asam amino melalui lintas yang amat komplek. Asam urat sebagai asam karena terdapat dalam bentuk tautomerik yang dapat berionisasi membentuk ion urat. Na⁺ dan K⁺ urat hanya sedikit lebih larut dibandingkan dengan asam urat.

BAB III

PENUTUP

Jumlah nitrogen di atmosfer berkisar 78% yang pada dasarnya paling banyak dijumpai di udara adalah molekul nitrogen (N₂). Akan tetapi, hanya beberapa spesies saja yang dapat mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk nitrogen yang bermanfaat bagi organisme hidup melalui siklus nitrogen. Tahapan siklus nitrogen ada tiga yaitu fiksasi, nitrifikasi dan denitrifikasi. Dimana, nitrogen di atmosfer yang kemudian masuk ke dalam tumbuhan melalui tahapan fiksasi nitrogen. Dalam tumbuhan nitrogen tersebut akan disintesis membentuk asam amino, kemudian asam amino tersebut akan masuk ke dalam tubuh hewan (konsumen). Asam amino dalam tubuh hewan tersebut akan mengalami degradasi yang hasil buangannya berupa amonia.

Reaksi katabolisme deaminase oksidatif menghasilkan buangan bernitrogen  dalam bentuk amonia  (NH₄⁺). Amonia merupakan senyawa kausatif yang dapat merusak kesehatan. Oleh karena itu, amonia dari hasil reaksi menjadi racun bagi tubuh, sehingga perlu dikeluarkan dalam bentuk yang lain. Siklus urea merupakan salah satu cara pengeluaran amonia dalam bentuk urea pada hewan ureotelik. Dimana, siklus urea terjadi dalam mitokondria dan sitosol. Siklus urea ini menggabungkan dua gugus amino dan HCO₃^- untuk membentuk molekul urea. Siklus urea juga berpartisipasi dalam pengaturan pH darah, yang bergantung pada nisbah CO₂ terlarut terhadap HCO₃^-.

Sintesis asam fumarat pada daur urea merupakan reaksi penting sebab reaksi ini mengkaitkan daur urea dengan daur asam sitrat. Nitrogen amino dapat dikeluarkan dalam tiga bentuk utama, yaitu sebagai ammonia, urea, atau sebagai asam urat. Kebanyakan spesies ekuatik, seperti golongan teleos atau ikan bertulang, mengeluarkan nitrogen amino sebagai ammonia (hewan ammonotelik); kebanyakan hewan terrestrial (daratan) mengeluarkan nitrogen amino dalam bentuk urea (hewan ureotelik); dan burung, kadal, serta ular mengeluarkan nitrogen aminonya sebagai asam urat (hewan urikotelik).

DAFTAR PUSTAKA

Lehninger, A. L. 1987. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid II. Erlangga: Surabaya.

Strayer, L. 1995. Biochemistry. W.H freeman and Company: New York.

Klik Di sini Untuk Referensi Lebih Banyak

Tweet