METABOLISME MIKROBA

I

PETA KONSEP

Proses Metabolisme:AnabolismeKatabolisme

Karbohidrat, Lemak, Protein

Proses sintesis sel dan enzim, memelihara steady state sel, penyerapan unsur hara, ekskresi senyawa, pergerakan sel

Reaksi enzimatik, Reaksi Reduksi- Oksidasi

Energi

– Definisi Metabolisme, Katabolisme dan Anabolisme

– Metabolisme sebagai proses produksi energi untuk kehidupan sel

– Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP

DEFINISI METABOLISME

Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme atau semua reaksi yang melibatkan transformasi energi kimia di dalam mahluk hidup

Anabolisme: Pembentukan senyawa yang memerlukan energi (Rekasi endergonik):

FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C6G12O5 DARI CO2 DAN H2O

Katabolisme: Penguraian senyawa yang menghasilkan energi (Reaksi eksergonik):

RESPIRASI MENGURAIKAN KARBOHIDRAT MENJADI ASAM PIRUVAT DAN ENERGI

MENGAPA MIKROBA MEMERLUKAN ENERGI ?

• Synthesa bagian sel (dinding sel, membran sel, dan substansi sel lainnya)

• Synthesis Enzim, Asam Nukleat, Polysakarida, Phospholipids, atau komponen sel lainnya

• Mempertahankan kondisi sel (optimal) dan memperbaiki bagian sel yang rusak

• Pertumbuhan dan Perbanyakan

• Penyerapan hara dan ekskresi senyawa yang tidak diperlukan atau waste products

• Pergerakan (Motilitas)

ENERGI KIMIA

Komponen kimia berenergi tinggi:

Adenosin Diphosphate (ADP) dan Adenosine Triphosphate (ATP) yang dibentuk dari Adenosine Monophosphate

ADP adalah AMP ~ P dan ATP adalah AMP ~ P~ P

Energi kimia juga dapat disimpan dalam komponen dengan ikatan thioester seperti Acetyl-S-Coenzym A (Acetyl SCoA)

REAKSI BIOKIMIA DIKATALIS OLEH ENZIM:

Berperan penting dalam setiap reaksi metabolisme

• Karaktersitik enzim• Faktor yang mempengaruhi kerja enzim• Pengaturan sistem enzim• Penamaan enzim

ENZIM

DEFINISI DAN KARAKTERISTIK KERJA ENZIM

Protein dengan aktivitas katalitik yang mempercepat reaksi kimia tanpa ikut dalam reaksi tersebut

Teori Kunci-Anak kunci

Penurunan energi aktivasi

Ukuran molekul enzim > substrat

Reaksi dipercepat pada suhu alami

KOFAKTOR ENZIM

Ada enzim yang mengandung komponen kimia lain selain protein. Komponen ini disebut kofaktor, suatu komponen yang bukan protein Kofaktor berupa : Molekul anorganik seperti Fe2+, Mn2+, Cu2+, Na+ atau molekul organik kecil yang disebut koenzim misalnya vitamin B, B1, dan B2 Koenzim yang terikat kuat secara kovalen pada protein enzim disebut gugus prostetik. Enzim yang strukturnya sempurna dan aktif mengkatalisis, bersama-sama koenzim atau gugus logamnya disebut holoenzim.

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ENZIM

pH dan suhu

Konsentrasi Substrat

PENGATURAN ENZIM

Penghambat kompetitif (competitive inhibitor): molekul inhibitor berkompetisi dengan substrat untuk menempati sisi aktif enzim.

Penghambat non kompetitif(allosteric inhibition) Molekul penghambat bergabung dengan enzim di luar sisi aktif, menyebabkan konformasi enzim berubah

Penghambatan umpan balik (Feedback Inhibition)Penumpukan produk akhir menghambat kerja enzim pertama dalam rangkaian reaksi tersebut sehingga

produksi enzim selanjutnya ditunda

PENAMAAN ENZIM

• Oxidoreductases (EC1)• Transferases (EC2)• Hydrolases (EC3)• Lyases (EC4)• Isomerases (EC5)• Ligases (EC6)

EC1 sd EC6: subclass dalam penamaan enzim (enzyme nomenclature)

TIPE METABOLISME MIKROBA

• Heterotrof

• Ototrof

• Fotosintesis

Metabolisme Sumber C Sumber N Sumber energi

Sumber H+

Heterotrof/Kemoorganotrof

Organik OrganikAtauanorganik

Oksidasisenyawa organik

-

Ototrof/kemolitotrof

CO2 anorganik OksidasiSenyawaanorganik

-

Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri Sianobakteri Fotoorganotrof Bakteri

CO2

CO2

CO2

AnorganikAnorganik

Anorganik

Cahaya matahariCahaya matahari

Cahaya matahari

H2S atau H2

Fotolisis H2O

Bahanorganik

METABOLISME HETEROTROF

• Jamur dan bakteri tertentu• mendapatkan energi dari oksidasi senyawa

organik. • Senyawa organik mengandung karbon dan

nitrogen yang digunakan secara aerob atau anaerob untuk menghasilkan tenaga pereduksi seperti nicotinamide adenine dinucleotide tereduksi (NADH + H+), dan energi (ATP)

Respirasi (Oksidasi) aerob vs anaerob

• Respirasi aerob: Katabolisme bahan organik dengan akseptor elektron terminal berupa O2; dan donor

elektron berupa bahan organik, misalnya katabolisme gula

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energi

Efisiensi respirasi aerob 55 %

• Respirasi anaerob: Katabolisme dengan akseptor elektron terminal berupa NO3, SO4, senyawa organik

fumarate, dan CO2; dan donor elektron berupa bahan

organik, misalnya, bakteri metanogen

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

• Bakteri yang tumbuh lambat dengan keberadaan senyawa anorganik (ion mineral) tanpa menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi

• Sumber karbon: CO2

• Sumber N: NH3, NO3-, atau N2

METABOLISME OTOTROF (kemotrof, kemoototrof,kemolitotrof)

Tipe kemosintetis Oksidasi senyawa anorganik

sebagai sumber energi

Famili, Genus, spesiespewakil

Pengoksidasi NH3

(aerob)

NH3 dioksidasi menjadi NO2 Nitrobacteriaceae(Nitrosomonas,Nitrosococcus, Nitrospira)

Pengoksidasi NO2

(aerob)

NO2 dioksidasi menjadi NO3 Nitrobacteriaceae(Nitrobacter, Nitrococcus)

Pengoksidasi sulfur(aerob) dan besi(aerob)

S2 dioksidasi menjadi SO4, dan

Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+.

Thiobacillus thiooxidansThiobacillus ferrooxidansFerrobacillus, Leptothrix

Pengoksidasisenyawa sulfur danpereduski NO3

(denitrifikasi)

S2O3 dioksidasi, NO3 direduksi Thiobacillus denitrificans

Bakteri Ototrof

• Mikroba prokaryotik: bakteri dan sianobakteri (cyanobacteria)

• Memerlukan sinar matahari (foton) dan pigmen

• Fototrof: membuat gula di dalam sel untuk respirasi/energi

• Heterotrof: mengambil gula di luar sel untuk respirasi/energi

METABOLISME FOTOSINTESIS (Fotoototrof, Fotoorganotrof)

Fotosintesis bakteri ungu non belerang

CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3

Fotosintesis bakteri hijau belerang

CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S

Fotosintesis Anoksigenik: Tidak Menghasilkan O2

Fotosintesis Oksigenik: Menghasilkan O2

Fotosintesis Sianobakteri

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

METABOLISME KARBOHIDRAT

• Glikolisis = glukosa menjadi piruvat• Siklus Kreb (Siklus asam sitrat) = piruvat

menjadi CO2 dan NAD pembawa H+

• Oksidasi Transport Elekteron = NAD dan H+ memasuki seri reaksi reduksi oksidasi untuk menghasilkan energi

• Fosforilasi Oksidatif = energi dari transport elektron menghasilkan ATP dari ADP dan Pi

Glukosa Asam Piruvat

Acetyl-CoACO2

O2

H2O

[NADH]

Rantai Pernafasan e-

Elektron akseptor

TAHAPAN DALAM RESPIRASI

Tahap I= Glikolisis

Tahap II = Dekarbiksilasi as. Pyrupat

Tahap III = Siklus Kreb TCA

Tahap IV = Rantai Pernafasan

EnergiATPFosforilasi oksidatif

GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat

1. Lintasan Fructose Biphosphate Aldolase

yang lebih dikenal sebagai lintasan Embden-

Meyerhof-Parnas (EMP)

2. Lintasan hexose monophosphate (HMP)

3. Lintasan oxidative pentose phosphate (PP)

4. Lintasan Entner-Doudoroff (ED).

Lintasan EMP, HMP dan PP pada eukaryotik (jamur, alga, protozoa) dan prokaryotik (bakteri)

Lintasn ED hanya pada beberapa bakteri aerob obligat

lintasan Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) = EMP Pathway

Memecah glukosa menjadi 2 piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP

Lintasan Hexose monophosphate (HMP)

Hasil akhir lintasan HMP adalah 1 piruvat, 1 asetil fosfat, 1 CO2, 1 ATP dan 3 NAD(P)H.

Lintasan ini juga menghasilkan ribulosa 5-fosfat (Gambar 8) yang merupakan prekursor nukleotida.

LIntasan Pentosa phosphate (PP)

Hasil akhir dari pemecahan 1 molekul glukosa adalah 1 piruvat, 3 CO2, 1 ATP dan 3 NAD(P)H.

Lintasan Entner Doudoroff (ED)

Hasil akhir pemecahan 1 molekul glukosa adalah 2 piruvat, 1 ATP dan 2 NAD(P)H

SIKLUS KREB = Piruvat diubah menjadi CO2 dan NAD

Transport elektron

TRANSPORT ELEKTRON = RANTAI PERNAFASAN

Oksidasi NADH dan reduksi senyawa kimia lain (pembawa elektron) untuk menghasilkan energi yang membentuk ATP pada proses fosforilasi oksidatif

Terminal akseptor e

Donor e-

Perbedaan redox menggambarkan besarnya perolehan energi.

Semakin negatif semakin tereduksi dan sebaliknya semakin teroksidasi

MENARA ENERGI

Perbedaan Redox menyebabkan terjadinya pergerakan elektron

Siklus Glioksilat (Glyoxylate Cycle)

Siklus glioksilat dilakukan oleh prokaryotik yang mengoksidasi asam asetat. Siklus ini mirip dengan siklus Kreb tetapi isositrat tidak diubah menjadi oksalokuksinat, tapi dipecah menjadi glioksilat dan suksinat

Fermentasi: metabolisme heterotrof dengan senyawa organik sebagai akseptor elektron (hidrogen) terminal. substrat dioksidasi tidak sempurna. Produk akhir disimilasi glukosa adalah senyawa organik sederhana yang disekresikan ke dalam medium sebagai waste product biasanya berupa alkohol dan asam

PRODUK AKHIR FERMENTASI

METABOLISME PROTEIN

Bakteri, ragi (yeast) dan kapang (molds) memerlukan senyawa nitrogen dalam bentuk asam amino, serta asam nukleat purin dan pirimidin. Mikrorba lainnya dapat menggunakan ammonia atau nitrat untuk mensintesis senyawa nitrogen organik. Beberapa bakteri memfiksasi N2

menjadi amonia

Asimilasi ammonia

L-Glutamat + NH4+ + ATP → L-glutamine + ADP + Pi

Selanjutnya glutamate synthase mentrasfer satu gugus amino dari glutamine ke molekul γ-ketoglutarat sehingga terbentuk dua molekul L-glutamat:

γ-ketoglutarat + L-glutamine + NADPH2 + H+ → L-Glutamat + NADP+

Biosintesis asam amino

Asimilasi ammonia menjadi asam amino glutamate adalah langkah awal dari rangkaian pembentukan asam amino lainnya.

Katabolisme asam amino

Asam amino dapat digunakan sebagai sumber energi. Secara umum, 20 asam amino dapat didegradasi menjadi 6 senyawa antara yang memasuki sistem metabolisme karbohidrat yaitu piruvat, acetyl Co-A, Oxaloacetate, fumarat, Suksinil Ca-A, dan γ-ketoglutarat.

Biosintesis asam amino

Biosintesis nukleotida.

Biosintesis purin

Biosintesis pirimidin

METABOLISME LIPID

Bersama-sama karbohidrat dan protein, lemak adalah metabolit primer yang harus tersedia agar mikroba dapat tumbuh, berproliferasi dan beraktivitas.

Komponen lemak: membran sitoplasma, mesosom, dan membrane inti pada mikroba eukaryotic. glycosydilglyserides dan lipoteichoic acid ditemukan di bakteri gram positif saja sedangkan lipopolisakarida terdapat di bakteri gram negatif.

Lipid juga didegradasi untuk mendapatkan energi. lipid lebih banyak menghasilkan energi daripada glukosa. Total energi yang dihasilkan dari pemcahan asam lemak dapat mencapai 49,3 ATP sedangkan dari glukosa adalah maksimal 41 ATP.

Biosintesis asam lemak (fatty acids) jenuh dan tak jenuh

Lintasan anaerob LIntasan aerob

Eschericia coli Alkaligenes faecalis

Salmonella typhimurium Corynebacterium diphteriae

Serratia maecesens Mycoibacterium phlei

Azotobacter agilis Bacillus (beberapa spesies)

Lactobacillus plantarum Micrococcus luteus

Agrobacterium tumifaciens Beggiatoa

Clostridium pasteurianum Leptospira caicola

Staphylococcus haemolyticus Sachharomyces cerevisiae

Clostridium butyricum Neurospora crassa

Caulobacter crescentus Candida lipolytica

Propionibacterium Stigmatella aurantiaca

Chloroflexus auranticus

Clorobium limicola

Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan anaerbob dan aerob

Degradasi Lipid

Degradasi lemak menjadi asam lemak (fatty acid) dan gliserol (glycerol) yang dikatalis oleh enzim lipase