Metabolit Primer & Sekunder

FARMASI – UHAMKA2012

Priyo Wahyudi

Kuliah 6

Metabolit Primer & Sekunder

a. Definisi Metabolit Primer & Sekunderb. Jenis-jenis Met. Primer & Met. Sekunderc. Prinsip Immobilisasi

Metabolisme

• Salah satu ciri mahluk hidup adalah metabolisme. Artinya proses metabolisme yang terjadi di dalam sel menjadi ciri adanya kegiatan hidup atau kehidupan dari sel tersebut.

• Definisi Metabolisme: – Seluruh aktivitas kimiawi yang terorganisir yang terjadi di dalam sel, dimana

mencakup 2 tipe proses yaitu produksi energi dan penggunaan energi (Pelczar et al., 1986)

– Untuk menggambarkan terjadinya proses kimiawi di dalam sel yang mencakup dua tipe proses yaitu anabolisme dan katabolisme. Anabolisme adalah proses penyusunan molekul kompleks dari molekul sederhana yang diperoleh dari lingkungan. Proses anabolisme juga sering disebut sebagai proses biosintesis. Proses katabolisme yaitu proses perombakan molekul kompleks menjadi molekul sederhana, untuk memperoleh energi (Madigan et al., 1997).

Energi

• Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Dalam konteks biologi pekerjaan yang dilakukan sel macamnya sangat banyak dan beragam, memerlukan energi dalam jumlah yang banyak pula.

• Energi diperlukan untuk : membangun komponen fisik sel seperti dinding dan membran sel ; sintesa enzim, protein, lemak, asam nukleat, polisakarida dan komponen kimia sel lainnya ; memperbaiki kerusakan sel ; pertumbuhan dan berkembang biak ; melakukan pengambilan nutrien dari lingkungan atau membuang senyawa dari dalam sel ke luar ; dan motilitas (Pelczar et al. 1986).

Metabolisme Primer & Sekunder

• Metabolisme primer didefinisikan sebagai bagian dari proses kimiawi yang umum terjadi pada setiap organisme dan manfaatnya (produknya) sangat dibutuhkan untuk kelangsungan hidup dan pertumbuhannya. Hasil intermediet ataupun hasil akhir dari jalur metabolisme primer disebut metabolit primer (Bentley & Bennet 1988).

• Metabolisme sekunder, adalah sebagai suatu jalur metabolisme yang terjadi pada organisme spesifik dengan melibatkan metabolit primer (sebagai precursor), menghasilkan produk akhir atau intermediet (metabolit) yang sifatnya spesifik spesies baik dari sifat kimiawi maupun fungsinya dan biasanya tidak digunakan untuk pertumbuhan sel (Bentley & Bennet 1988). Sampai saat ini kita masih sukar untuk secara absolut mendefinisikannya, disebabkan keterkaitannya yang sangat erat dengan metabolisme primer. Sebagai dasar pemikirannya adalah bahwa proses metabolisme sekunder tidak dapat berdiri sendiri (terlepas sama sekali dari metabolisme primer).

Metabolit Primer vs Sekunder

Met. Primer Met. Sekunder

Dihasilkan oleh semua jenis sel Dihasilkan oleh sel khusus (spesifik)

Proses nya terjadi mandiri dan tidak memerlukan met. sekunder

Proses nya melibatkan metabolit primer sebagai prekursor

Produk masih diperlukan untuk pertumbuhan & perkembangbiakannya

Produk sudah tidak diperlukan lagi untuk pertumbuhan dan perkembangbiakannya

Produk bersifat umum Produk bersifat spesies spesifik dari kimiawi & fungsinya

Disintesis selama hidup Disintesis pd kondisi pertumbuhan terbatas atau kondisi kritis

Contoh: Glikolisis, Siklus Krebs, dll

Contoh: Antibiotik

Metabolit Primer

• Beberapa contoh jalur metabolisme primer yang umum dijumpai pada sel mikroorganisme adalah : glikolisis, siklus asam sitrat, jalur pentosa fosfat dan proses katabolisme-anabolisme asam lemak, asam amino, asam nukleat. Hasil intermediet ataupun hasil akhir (end-product) dari proses ini dikenal sebagai metabolit primer.

• Jenis Metabolit Primer: 1. Biomassa2. Asam organik3. Asam amino (protein)4. Polisakarida ekstraseluler5. Asam nukleat6. Asam lemak & gliserol7. Alkohol

1. Biomassa• Salah satu macam metabolit primer adalah biomassa mikroba

melalui proses fermentasi (Berry 1988: 130--140). Fermentasi untuk mendapatkan hasil biomassa harus dirancang agar menghasilkan pertumbuhan yang cepat dan jumlah kepadatan sel yang tinggi. Contoh produksi biomassa adalah : – Protein Sel Tunggal dari mikroalga, jamur ataupun yeast untuk pakan

ternak ataupun suplemen makanan manusia (misal : Chlorella, Spirulina, Candida dll);

– produksi baker’s yeast (ragi roti) ; produksi ragi tempe dari jamur Rhizopus sp. ;

– produksi mikoriza untuk pupuk hayati ; – produksi jamur sebagai agen hayati untuk biokontrol hama penyakit

tanaman (misal : Trichoderma, Metarrhizium, Beauveria dll) ; – produksi jamur (mushrooms) untuk bahan makanan manusia (misal :

Volvariella, Auricularia, Pleurotus, Lentinus, Agaricus dll).

2. Asam organik• Beberapa jenis asam organik yang diproduksi melalui fermentasi dan

banyak digunakan oleh industri farmasi dan pangan adalah asam sitrat, asam itakonat dan asam glukonat. Sebetulnya seluruh asam organik yang terlibat dalam siklus Krebs dapat diproduksi dengan menggunakan bakteri, jamur maupun yeast melalui fermentasi

3. Asam amino (protein)• Asam amino merupakan hasil translasi mRNA yang terjadi di ribosom.

Asam-asam amino tersebut diproduksi berdasarkan informasi yang dibawa oleh mRNA yang ditranskripsi dari DNA inti. Polimerisasi asam-asam amino berdasarkan urutan pengkodeannya akan membentuk protein.

– Protein struktural akan membangun komponen-komponen sel, – Protein fungsional dapat berfungsi sebagai : enzim, hormon dll.

• Protein struktural maupun fungsional kebanyakan terlibat dalam proses metabolisme primer dan diperlukan dalam pertumbuhan sel. Absennya protein tersebut dalam sel dapat mengganggu jalannya metabolisme, sehingga pertumbuhan sel pun terganggu.

4. Polisakarida ekstraselular• Contoh polisakarida ekstraselular mikrobial yang saat ini banyak

digunakan oleh industri pangan dan farmasi adalah : pullulan, scleroglucan, xanthan, nata.

– Pullulan adalah suatu polisakarida dari a1-4 glucan yang mempunyai beberapa cabang a1-6 glucan, dihasilkan oleh Aureobasidium pullulans.

– Scleroglucan adalah polisakarida dari b-1,3- glucan dan kadang-kadang b-1,6- glucan yang dihasilkan Sclerotium rolfsii (Berry 1988). Pada perkembangannya kedua polisakarida tersebut menjadi alternatif bahan baku polimer plastik (biodegradable plastic) yang ramah lingkungan dan aman bagi kesehatan manusia.

5. Asam nukleat• Asam nukleat adalah komponen dari materi genetik yang terdapat di

dalam inti dan ribosom. Asam nukleat tersebut macamnya dapat berupa DNA dan RNA. Asam nukleat tersusun atas gula ribosa atau deoksiribosa, fosfat dan basa purin (yaitu : adenin dan guanin) atau basa pirimidin (yaitu : timin, citosin, urasil). Asam nukleat akan berpolimerisasi membentuk polinukleotida yang akan menyusun DNA yang berbentuk untai ganda terpilin.

Aerobasidium pullulans Pullulan

Xantomonas campestris Xanthan

6. Asam lemak dan gliserol• Asam lemak merupakan komponen utama dari lemak. Asam

lemak dikelompokkan menjadi dua kelompok besar yaitu asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh. Asam lemak jenuh dicirikan dengan tidak adanya ikatan rangkap pada struktur molekulnya, sementara asam lemak tak jenuh dicirikan dengan terdapatnya ikatan rangkap. Lemak mempunyai sifat kimia yang khas karena mempunyai unit hidrofobik dan hidrofilik sekaligus, sehingga sangat ideal untuk menyusun struktur dinding dan membran sel (Brock & Madigan 1991).

• Komponen kedua yang menyusun lemak adalah gliserol. Secara sederhana dapat digambarkan bahwa lemak terbentuk dari reaksi antara asam lemak dengan senyawa alkohol C3 yaitu gliserol. Lemak sederhana sering disebut sebagai trigliserida karena tersusun oleh 3 asam amino yang berikatan dengan satu senyawa gliserol.

7. Alkohol• Salah satu produk metabolisme primer yang dihasilkan

selama fase pertumbuhan jenis yeast Saccharomyces cerevisiae dan bakteri tertentu adalah etanol. Etanol merupakan produk dari metabolisme anaerobik sebagai bagian dari energi yang dihasilkan dari proses metabolisme tersebut. Sebagai pedoman dari fermentasi alkohol tergolong dalam metabolisme primer adalah bahwa pembentukan alkohol tersebut merupakan bagian dari energi yang dihasilkan dari proses metabolisme substrat (gula) secara anaerobik dan sejalan dengan pertumbuhan biomassa sel.

Metabolit Sekunder1. Metabolit turunan poliketida• Poliketida adalah senyawa fenol yang berasal dari jalur asetat-malonat,

mempunyai kerangka dasar aromatik yang disusun oleh beberapa unit yang terdiri dari dua atom C. Senyawa poliketida merupakan suatu rantai poliketometilen [-(CH2 – CO)n-]. Metabolit sekunder yang merupakan turunan poliketida antara lain : quinon, benzophenon & xanthone, depsine & depsidon, aflatoksin, tetrasiklin dan antibiotik makrolida.

2. Metabolit turunan mevalonat (jalur isoprenoid).

• Jalur mevalonat merupakan salah satu jalur biosintesa metabolit sekunder dengan precursor berupa senyawa lima atom C yang bercabang seperti tergambar di bawah ini.

• Metabolit sekunder yang merupakan turunan dari mevalonat meliputi : terpen, steroid dan karotenoid.

OH

CH3OHO2C

Mevalonat

3. Metabolit turunan jalur shikimat– Jalur shikimat menghasilkan metabolit sekunder antara lain : cinnamic acid,

gallic acid, dan senyawa-senyawa aromatik.

4. Metabolit turunan asam amino– Beberapa contoh metabolit sekunder turunan asam amino adalah jenis-

jenis antibiotik, seperti : cycloserine, antibiotik lactam (penicillin, cephalosporin), antibiotik peptida (bacitracin) dan chromopeptida (actinomycin)

5. Metabolit turunan langsung dari karbohidrat– Contoh metabolit sekunder yang merupakan turunan langsung dari

karbohidrat sebagai precursornya adalah kojic acid, mannitol dan gluconic acid. Metabolit-metabolit sekunder tersebut diturunkan secara langsung dari glukosa tanpa memecah rantai karbonnya (Bentley & Bennet 1988).

6. Metabolit hasil kombinasi biosintesis

a. Asam amino – isoprenoid– Sebuah unit beratom C5 dari dimetilalil difosfat seringkali digabungkan

dengan sebuah struktur yang diturunkan dari satu atau lebih asam amino (triptofan dan metionin), contohnya : ergot alkaloid pada Claviceps sp. Selain itu penggabungan antara asam amino triptofan, sebuah isoprenoid dan dua unit asetat pada Penicillium cyclopium menghasilkan cyclopiazonic acid (suatu mikotoksin)

b. Poliketida – isoprenoid– Contoh: antibiotik siccanin yang dihasilkan oleh Helminthosporium siccans c. Poliketida – komponen siklus Krebs– Penicillium spiculisporum dapat menghasilkan decylcitrat yang merupakan

substitut dari asam sitrat atau asam homositrat. Decylcitrat dihasilkan dari penggabungan antara lauroil-CoA (poliketida) dan asam oksaloasetat (komponen siklus Krebs).

7. Vitamin• Jenis vitamin yang merupakan metabolit sekunder

mikroorganisme yang dapat diproduksi dengan fermentasi antara lain vitamin B12 dan riboflavin. Jenis mikroba yang mampu menghasilkan vitamin B12 adalah bakteri Propionibacterium sp. dan Pseudomonas denitrificans. Sementara riboflavin dapat dihasilkan oleh jamur Ashbya gossypii, meski beberapa jenis jamur lain, bakteri dan yeast dilaporkan juga dapat memproduksi riboflavin .

8. Zat warna (Pigmen)• Pigmen yang dihasilkan Monascus spp. telah digunakan sebagai

bahan pewarna makanan pada produk-produk ikan, tahu dan anggur. Jamur ini juga telah ratusan tahun digunakan sebagai suatu agen enzimatis pada pembuatan makanan fermentasi Cina dan bahan obat tradisional Cina. Sejak diketahui bahwa pewarna dari tar batubara bersifat karsinogenik, maka pigmen yang dihasilkan Monascus spp. telah menjadi pilihan utama sebagai pengganti pigmen sintetik yang aman dan alami

• Monascus dapat menghasilkan sedikitnya 6 pigmen yang terbagi menjadi tiga kelompok:– Rubropunctatin dan monascorubrin adalah pigmen orange yang berbeda

rantai sampingnya pada cincin ozo-lactone. – Dua pigmen merah yaitu rubropunctamine dan monascorubramine

merupakan analog nitrogen dari pigmen orange. – Pigmen kuning yaitu monascin (sinonimnya monasflavin) dan ankaflavin

adalah bentuk tereduksi dari dua pigmen orange (Lin & Demain 1991).

Immobilisasi

• Imobilisasi artinya suatu usaha untuk menjadikan produk enzim atau metabolit sekunder hasil fermentasi yang semula bersifat mudah berubah menjadi tidak mudah “bergerak”

• Imobilisasi enzim atau metabolit sekunder bertujuan :– Menjadikan produk enzim yang semula mudah larut dalam air menjadi

tidak mudah larut, karena kemudahannya larut dalam air menyebabkan ia sulit dipisahkan dari substrat & produk, sehingga tidak dapat digunakan untuk mengkalisis proses berikutnya. Sifat “mudah larut” diartikan sebagai “mobil” atau “bergerak”, sehingga perlu dilakukan “imobilisasi”agar tidak mudah larut.

– Melindungi produk enzim atau metabolit sekunder (tidak lain adalah protein) agar tidak mudah terdenaturasi

– Memudahkan penyimpanan dan transportasi– Memperpanjang masa simpan

Teknik Immobilisasi

1. Adsorpsi– Contoh : bahan resin penukar ion, penukar ion selulosa, PVC, porous

brick, Dowex 1, DEAE-selulosa, ikatan silang pektat, oksida logam, konkavalin A

2. Pengikatan secara kovalen pada zat padat pendukung– Contoh: bahan hidroksialkil metakrilat, karboksimetilselulosa (CMC), gelas

berpori, keramik, polimer sintetis, selulosa, nilon atau alumina

3. Pengikatan silang (Entrapment)– Contoh: glutaraldehid, albumin dan glutaraldehid, gelatin dan

glutaraldehid

4. Enkapsulasi (membran)– Contoh: bahan poliakrilamida, alginat, selulosa-triasetat, agar, karaginan,

kitosan, kolagen , gelatin, polistiren, uretan, nilon-enkapsulasi

Teknik Immobilisasi

a. Adsorbsi non-kovalen pada partikel tidak larut;

b. Pengikatan kovalen pada partikel tidak larut;

c. Pengikatan silang menggunakan partikel tidak larut berupa cross-linked polymer;

d. Penjebakan dalam suatu membran semipermeabel

Kegagalan Immobilisasi

Perbandingan Teknik Immobilisasi

Characteristics Adsorption Covalent binding

Entrapment Membrane

confinement

Preparation Simple Difficult Difficult Simple

Cost Low High Moderate High

Binding force Variable Strong Weak Strong

Enzyme leakage Yes No Yes No

Applicability Wide Selective Wide Very wide

Running Problems High Low High High

Matrix effects Yes Yes Yes No

Large diffusional barriers

No No Yes Yes

Microbial protection No No Yes Yes