Kuliah ke-III

m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221

METABOLISME I :Kebutuhan & Sumber Energi bagi

Sel Mikroorganisme

JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR2012

PENDAHULUAN

Untuk dapat tetap hidup dan berkembang biak, mikroba melakukan berbagai proses metabolisme

Proses metabolisme dapat berlangsung bila tersedia energi yang dibutuhkan

Mikroba mempunyai kekhasan dalam pembentukan energi yang dibutuhkan, seperti fermentasi, respirasi atao fotosintesis

“Hasil samping” proses pembentukan energi berupa senyawa yang dapat dimanfaatkan menjadi produk yang berguna bagi manusia, contohnya etanol, asam organik dll berdasarkan lintasan metabolismenya

Fungsi Metabolisme :

• Memecah senyawa kompleks (nutrien) menjadi substrat/prekursor (senyawa awal)

• Menangkap energi yang dilepaskan dari pemecahan nutrien.(katabolisme)

• Sintesis molekul yang dibutuhkan (anabolisme)

Hubungan antara Katabolisme & Anabolisme :Katabolisme : oksidatif; exergonic (melepaskan energi) Anabolisme : reduktif, endergonic (membutuhkan energi)

Metabolisme : Semua aktivitas kimiawi yang terjadi dalam sel, baik yang berfungsi penguraian (katabolisme) maupun pembentukan (anabolisme) prinsipnya reaksi oksidasi-reduksi

Nutrien/Seny kimia(KH, Protein, Lemak)

KATABOLISME(Khimosintesis)

ANABOLISME(Biosintesis)

KATABOLISME (Fotosintesis)

CahayaBiopolimer/Mol Sel

Fosforilasi tk. substrat & Fosforilasi Oksidatif

RNA, DNA, Protein, Polisakarida, Lemak Fotofosforilasi

Prekursor/intermediate(asam amino, gula, asam

lemak, purin dll)

Akumulasiintraseluler

ATPADP

ATPADP EnergiEnergi

Produk metabolisme/metabolit

Substrat

Skema Proses Metabolisme Di dalam Sel Mikroba

NH3

I. PROSES BIOKIMIA PENGHASIL ENERGI (KATABOLISME)

1. Kebutuhan & Sumber Energi bagi Mikroba

2. Energi Kimia & Transfer Energi

3. Sintesis ATP oleh Mikroba

4.Lintasan Katabolisme Nutrien

ENERGI

II. PROSES BIOKIMIA YG MEMBUTUHKAN ENERGI (ANABOLISME/BIOSINTETIK) dipelajari di Metabolisme II

1. Penggunaan Energi untuk Proses Biosintetik

2. Biosintesis Senyawa Mengandung Nitrogen : - Biosintesis Asam Amino & Protein - Biosintesis Nukleotida & Asam Nukleat 3. Biosintesis Karbohidrat

4. Biosintesis Lipida (Asam Lemak Rantai Panjang dan Fosfolipida)

5. Penggunaan Energi untuk Proses Selain Biosintesis : - Transpor Nutrien ke Dalam Sel & Motilitas

I.1. Kebutuhan Energi oleh Sel Mikroba• Energi digunakan untuk aktivitas : - Konstruksi bagian struktural sel (dinding sel, membran sel dll.) - Sintesis enzim, asam nukleat, polisakarida, fosfolipida & komponen kimia lain - Memperbaiki bagian sel yg rusak & pemeliharaan sel - Pertumbuhan & replikasi (reproduksi) - Akumulasi beberapa senyawa nutrien cadangan - Mengekskresikan produk-produk limbah - Motilitas (pergerakan)

Sumber energi :cahaya,tetapi kebanyakan mikroba mendapatkan energi dgn cara katabolisme senyawa kimia energi disimpan secara temporer umumnya pada ATP

• Energi kimia : energi yg terkandung pada ikatan kimia dlm. molekul substrat lihat contoh

• Proses katabolisme & anabolisme saling berkaitan : Reaksi exergonic (katabolisme) menghasilkan energi ditangkap oleh senyawa pentransfer energi (ATP) diberikan ke reaksi endergonic (sintesis) yg butuh energi

• ATP (adenosine triphosphate) menyimpan & mentransfer energi dgn menerima/melepaskan fosfat anorganik (Pi) disintesis dari ADP (adenosine diphosphate) (Kandungan energi 1 mol ATP = 7.3 kkal/mol) energi ADP + Pi ATP + air

ATP + air ADP + fosfat energi

I.2. Energi Kimia & Transfer Energi

Ikatan kimia yang mempunyai energi tinggi digambarkanDengan garis gelombang (~), terbentuk dengan cara oksidasi

Contoh ikatan kimia berenergi tinggi :

Asetil fosfat O

CH3 – C ~ P

Asetil Koenzim A O (Acetyl-CoA) CH3 – C ~ S – CoA

Asetat anhidrid O O

CH3 – C ~ O ~ C - CH3

a. Fosforilasi Tingkat Substrat Proses adisi fosfat anorganik pada senyawa yg sedang

dioksidasi pada lintasan metabolisme dihasilkan senyawa yang mengandung ikatan fosfat berenergi tinggi energi yg dilepaskan dari substrat tsb digunakan untuk memindahkan gugus fosfat ke ADP, sehingga terbentuk ATP (umumnya merupakan pembentukan energi pada fermentasi)

I.3. Sintesis ATP oleh Mikroba

a. Fosforilasi Tingkat Substrat b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis) c. Fotofosforilasi

Contoh senyawa berenergi tinggi : *1,3 biphospho glycerate & phosphoenolpyruvate dihasilkan dari Glikolisis *succynil~SCoA dari Siklus Krebs

Energi yg dilepaskan dari pemecahan senyawa/substrat organik berenergi tinggi digunakan untuk sintesis ATP dari ADP

Terjadi 2 tahap pada Glikolisis dan 1 tahap pada Siklus Krebs (TCA) yang menghasilkan ATP melalui Fosforilasi Tingkat Substrat

a. Fosforilasi Tingkat Substrat

(substrat berenergi tinggi)

Konservasi energi pada Fermentasi dan Respirasi

Fermentasi

Respirasi

Fosforilasi Tingkat Substrat

Glikolisis

2 tahap Fosforilasi Tingkat Substrat pada Glikolisis

SIKLUS KREBS

1 Tahap Fosforilasi Tingkat Substrat Pada SiklusKrebs

Terjadi pada sistem respirasi, dimana setelah fosforilasi, elektron yg dihslkan lalu digunakan oleh Rantai Transpor Elektron (RTE) sbg akseptor elektron terakhir pada RTEadalah O2

Melibatkan serangkain perpindahan elektron yang melibatkan senyawa pembawa elektron : nikotin adenin dinukleotida tereduksi (NADH)/FADH2 dan cytochome yg digunakan untuk sintesis ATP dari ADP

b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis)

Sumber NADH/FADH2 :Glikolisis (pemecahan sumber karbon)Reaksi piruvat menjadi acetyl-CoAMetabolisme asam lemakSiklus Krebs

Komponen RTE

http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/mcmurrygob/medialib/media_portfolio/text_images/FG21_111-2.JPG

NADH dan FADH2 dioksidasi melepaskan elektron ke RTE melewati serangkaian senyawa pembawa elektron, energi yang dilepaskan digunakan untuk memompa ion H+

terjadi gradien ion H+ (proton motive force) yang menggerakkan pembentukan ATP oleh enzim syntahse. Molekul O2 sbg penerima elektron terakhir terbentuk H2O dengan menghasilkan ATP

ATP

Rantai Transpor Elektron (RTE) :

Merupakan tahap akhir respirasi sel dimana energi pada NADH & FADH2 dibebaskan, lalu ditransfer dan disimpan pada ATP

Digunakan untuk menangkap energi dari reaksi oksidasi-reduksi (respirasi aerobik dan dari cahaya matahari (fotosintesis)

RTE berlangsung karena terbentuk gradien ion H+ antara matriks & ruang antar membran mitokondria menggerakkan sintesis ATP melalui Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis)

Lokasi terjadinya RTE :• Eukariota : – mitokondria• Prokariota : – membran sitoplasma

Ringkasan Produksi Energi selama Respirasi Aerobik

c. Fotofosforilasi - Terjadi pada organisme yang mempunyai klorofil yang

mampu mengabsorbsi cahaya matahari

- Cahaya matahari digunakan untuk menghasilkan protonmotive force yang menggerakkan sintesis ATP

Produksi ATP dengan menggunakan energi dari cahaya matahari (bukan dari pemecahan substrat organik) terjadi pada fotosintesis

contoh : cyanobacteria, alga dan tanaman berklorofil)

Katabolisme Nutrien Kompleks• M.o dpt menggunakan berbagai jenis senyawa sumber energi molekul kompleks (protein, lemak, polisakarida) shg hrs dihidrolisis secara enzimatis menjadi senyawa sederhana seblm digunakan sbg pemasok energi Molekul sederhana selanjutnya dpt dikonversi menjadi senyawa lain yg dpt memasuki lintasan disimilasi sel : - Protein peptida asam amino membentuk asam piruvat ke Siklus Krebs - Lemak gliserol ke Glikolisis ; asam lemak Asetil KoA ke Siklus Krebs - Polisakarida Monosakarida/glukosa ke Glikolisis

I.4. Lintasan Katabolisme Nutrien :

CARA MIKROBA MENDAPATKAN ENERGI

1. Fermentasi

2. Respirasi Aerobik

3. Respirasi Anaerobik

3. Fotosintesis

Oksidasi Biologi : Merupakan proses oksidasi-reduksi, yaitu reaksi penting oleh sel hidup pada metabolisme & pengadaan energi

oksidasi (-elektron/H+) A B

reduksi (+elektron/H+)

- Pada reaksi oks-red, elektron mengalami perpindahan tingkat energi yg tinggi ke tingkat energi yg lbh rendah

Reaksi oksidasi membebaskan energi & reduksi membutuhkan energi

- Pada tiap reaksi, terlibat pasangan senyawa : satu dlm bentuk teroksidasi & lainnya dlm bentuk tereduksi tiap pasangan senyawa = “Sistem Oksidasi-Reduksi” = Sistem O/R

Bila suatu sistem O/R mengoksidasi sistem O/R lainnya, maka terjadi pembebasan energi yang besarnya sebanding denganselisih antara nilai Eo (electrical potential = tegangan listrik suatu reaksi oksidasi-reduksi, volt) energi yang dihasilkan Digunakan untuk mensintesis ATP

Semakin besar perbedaan Eo antara senyawa yang mengoksidasi dengan senyawa yang mereduksi atau semakin negatif senyawa yg mengoksidasi dan semakin positif senyawa yg mereduksi energi yang dihasilkan juga semakin besar.

(Eo sistem semakin negatif = donor elektron bagi sistem dg Eo lebih positif (= akseptor elektron)

Jadi sel dapat menghasilkan energi dengan mengoksidasi Eoyang lebih negatif dan mereduksi Eo yang lebih positif pemindahan elektron berhubungan dengan produksi energi ! (RTE)

FERMENTASI

- Merupakan reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem biologi yang menghasilkan energi sebagai donor dan akseptor elektron digunakan senyawa organik (tdk perlu O2) tdk efisien

- Senyawa organik yang biasa digunakan adalah karbohidrat dalam bentuk glukosa

- Skema proses fermentasi :

senyawa organik teroksidasi (donor elektron)

e- energi (2 ATP/mol Glukosa)

senyawa organik tereduksi (akseptor elektron)

Hasil samping dari produksi energi pada Fermentasi yg bermanfaat bagi manusia , contohnya :1.Fermentasi Alkohol2.Fermentasi Asam Laktat3. Fermentasi 2,3-Butanediol 4. Fermentasi Asam Propionat6. Fermentasi Asam Butirat

Fermentasi :

-Merupakan pemecahan karbohidrat secara anaerobik yang bertujuan untuk menghasilkan energi bagi mikroba

- Melibatkan glikolisis, namun tidak melibatkan RTE pemecahan glukosa menghasilkan 2 ATP/mol glukosa dengan melalui Fosforilasi Tingkat Substrat

- Ditemui pada mikroba anaerobik dan anaerobik fakultatif

RESPIRASI

- Sel mempunyai enzim oksidase, sehingga dpt menggunakan O2 sebagai akseptor elektron terakhir

- Mol O2 merupakan substrat yang baik untuk direduksi (Eo + 0.82) & tersedia banyak di udara lebih efisien mengubah substrat menjadi energi (20X fermentasi)

- Elektron dlm sistem respirasi berasal dari DPNH+H+ (hasil oksidasi substrat) melalui flavoprotein atau FAD (protein pembawa elektron) dan sitokroma (RTE=rantai transpor elektron) diubah menjadi energi dlm bentuk ATP

RESPIRASI

Substrat respirasi : KH (glukosa), lemak, protein

substrat organik teroksidasi (donor elektron) e- energi ( 36 ATP/mol glukosa) FAD

sitokroma

O2 H2O

- Proses katabolik yang menghasilkan ATP

- Melibatkan lintasan metabolisme : a. Glikolisis b. Konversi piruvat menjadi asetil Ko-A (Asam piruvat (dari glikolisis) dioksidasi menjadi Asetil KoA) sebagai substrat awal Silkus Krebs dg menghaslkan 1 NADH c. Siklus Krebs d. Rantai Transpor Elektron & Fosforilasi Oksidatif

Respirasi Aerobik

Respirasi Aerobik :

Total : 38 ATP(Net : 36 ATP)

RespirasiAerobik

RESPIRASI ANAEROBIK

• Respirasi tanpa menggunakan oksigen dari luar, tetapi menggunakan senyawa anorganik yg ada dlm substrat sbg akseptor elektron terakhir Energi yg dihasilkan lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik

senyawa organik teroksidasi (donor elektron) e-

energi

senyawa anorganik

(akseptor elektron) tereduksi

Senyawa- senyawa anorganik yg dpt digunakan sbg akseptor elektron : sulfat, nitrat, atau CO2

Respirasi Anaerobik melibatkan : - Glikolisis, Siklus Asam Sitrat dan RTE

-Total hasil energi per molekul glukosa yang dioksidasi lebih kecil atau sama dengan 36 ATP (lebih sedikit dari Respirasi Aerobik, tapi lebih banyak dari fermentasi)

Beberapa prokariot mampu melakukan respirasi anaerobContoh : - Beberapa bakteri pereduksi sulfat dapat mentransfer elektron ke ggs sulfat direduksi menjadi H2S. - Bakteri pereduksi nitrat dapat mentransfer elektron ke ggs nitrat direduksi menjadi nitrit- Bakteri pereduksi nitrat lain dapat mereduksi nitrat NO dan N2

electron acceptor reduced end product name of process organism

O2 H2Oaerobic respiration

Escherichia,Streptomyces

NO3 NO2, N2O or N2

anaerobic respiration: denitrification

Bacillus,Pseudomonas

SO4 S or H2Sanaerobic respiration: sulfate reduction

Desulfovibrio

fumarate succinate

anaerobic respiration:using an organic e- acceptor

Escherichia

CO2 CH4 methanogenesis Methanococcus

Table 3. Electron acceptors for respiration and methanogenesis in procaryotes

Anaerobic respiration :  use of some compound other than O2 as a final electron acceptor in the electron transport chain. Electron acceptors used by procaryotes for respiration or methanogenesis

Biological methanogenesis is the primary source of methane (natural gas) on the planet. Methane is preserved as a fossil fuel (until we use it all up) because it is produced and stored under anaerobic conditions, and oxygen is needed to oxidize the CH4 molecule. Methanogenesis is not really a form of anaerobic respiration, but it is a type of energy-generating metabolism that requires an outside electron acceptor in the form of CO2. Methane is a significant greenhouse gas because it is naturally produced in fairly quantities and it absorbs up to 15 times more heat than carbon dioxide.

Denitrification is an important process in agriculture because it removes NO3from the soil. NO3 is a major source of nitrogen fertilizer in agriculture. Almost one-third the cost of some types of agriculture is in nitrate fertilizers The use of nitrate as a respiratory electron acceptor is usually an alternative to the use of oxygen. Therefore, soil bacteria such as Pseudomonas  will use O2 as an electron acceptor if it is available, and disregard NO3. This is the rationale in maintaining well-aerated soils by the agricultural practices of plowing and tilling.E. coli will utilize NO3 (as well as fumarate) as a respiratory electron acceptor and so it is able to respire in the anaerobic intestinal habitat. Among the products of denitrification, N2O  is of a major concern because it is a greenhouse gas with 300-times the heat absorbing capacity of CO2. Denitrifying bacteria that respire using N2O as an electron acceptor yield N2 and  therefore provide a sink for the N2O. although this does not ameliorate denintrification of the soil.

Sulfate reductionIt is an obligatory process that occurs only under anaerobic conditions. Methanogens and sulfate reducers may share habitat, especially in the anaerobic sediments of eutrophic lakes such as Lake Mendota, where they crank out methane and hydrogen sulfide at a surprising rate.

Anaerobic respiring bacteria and methanogens play an essential role in the biological cycles of carbon, nitrogen and sulfur. In general, they convert oxidized forms of the elements to a more reduced state. - The lithotrophic procaryotes metabolize the reduced forms of nitrogen and sulfur to a more oxidized state in order to produce energy. - The methanotrophic bacteria, which uniquely posses the enzyme methane monooxygenase, can oxidize methane as a source of energy. Among all these groups of procaryotes there is a minicycle of the elements in a model ecosystem.

FOTOSINTESIS

(B) e- e- (B)

Energi sinar Energi yg digunakan selMatahari untuk metabolismel

(A) e- e- (A)

H2O O2

• Menggunakan energi sinar matahari untuk meningkatkan energi elektron yg dihasilkan oleh oksidasi air menjadi oksigen algae, bbrp bakteri (e.g Cyanobacteria) & tanaman hijau

• Reaksi : n CO2 + H2O sinar matahari (CH2O)n + O2

(karbohidrat)

• Cahaya diabsorbsi oleh klorofil • Saat cahaya diabsorbsi, dilepaskan elektron dari klorofil dan akan masuk ke Rantai Transpor Elektron (RTE) energi (ATP)

A & B = tingkat energi elektron