Modul 4 Mikrobiologi dan Bioteknologi Pertanian I

METABOLISME MIKROBA

FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS PADJADJARAN @ 2009

PETA KONSEP

Karbohidrat, Lemak, ProteinProses Metabolisme: Anabolisme Katabolisme

Energi

Reaksi enzimatik, Reaksi Reduksi- Oksidasi

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

MATERI BAHASAN

1. Pendahuluan 2. Karakteristik dan Kerja Enzim 3. Tipe Metabolisme Mikroba 4. Metabolisme Karbohidrat 5. Metabolisme Protein dan Lipid

1. PENDAHULUAN Definisi Metabolisme, Katabolisme dan Anabolisme Metabolisme sebagai proses produksi energi untuk kehidupan sel Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP

DEFINISI METABOLISMESemua 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): Katabolisme: Penguraian senyawa yang menghasilkan energi (Reaksi eksergonik): RESPIRASI MENGURAIKAN KARBOHIDRAT MENJADI ASAM PIRUVAT DAN ENERGI

FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C6G12O5 DARI CO2 DAN H2O

MENGAPA MIKROBA MEMERLUKAN ENERGI ? Synthesa bagian sel (dinding sel, membran sel, dan substansi sel lainnya)

Synthesis Enzim, Asam Nukleat, Polysakarida, Phospholipids, atau komponen sel lainnyaMempertahankan 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 KIMIAKomponen 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

2. ENZIM Karaktersitik enzim Faktor yang mempengaruhi kerja enzim Pengaturan sistem enzim Penamaan enzim

DEFINISI DAN KARAKTERISTIK KERJA ENZIM Protein dengan aktivitas katalitik yang mempercepat reaksi kimia tanpa ikut dalam reaksi tersebutTeori Kunci-Anak kunci Ukuran molekul enzim > substrat

Penurunan energi aktivasi

Reaksi dipercepat pada suhu alami

KOFAKTOR ENZIMAda 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 ENZIMPenghambat 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)

3. TIPE METABOLISME MIKROBA Heterotrof Ototrof Fotosintesis

MetabolismeHeterotrof/ Kemoorganotrof Ototrof/ kemolitotrof

Sumber C Sumber N Sumber energiOrganik Organik Atau anorganik anorganik

Sumber H+

Oksidasi senyawa organik Oksidasi Senyawa anorganik -

CO2

Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri CO2 Sianobakteri CO2 Fotoorganotrof Bakteri CO2

Anorganik Anorganik Anorganik

Cahaya matahari H2S atau H2 Cahaya matahari Fotolisis H2O Cahaya matahari Bahan organik

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 gulaC6H12O6 + 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

METABOLISME OTOTROF (kemotrof, kemoototrof,kemolitotrof) 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

Bakteri OtotrofTipe kemosintetis Oksidasi senyawa anorganik sebagai sumber energiNH3 dioksidasi menjadi NO2

Famili, Genus, spesies pewakilNitrobacteriaceae (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira) Nitrobacteriaceae (Nitrobacter, Nitrococcus)

Pengoksidasi NH3 (aerob) Pengoksidasi NO2 (aerob)

NO2 dioksidasi menjadi NO3

Pengoksidasi sulfur (aerob) dan besi (aerob)

S2 dioksidasi menjadi SO4, dan Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus ferrooxidans Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+. Ferrobacillus, LeptothrixS2O3 dioksidasi, NO3 direduksi Thiobacillus denitrificans

Pengoksidasi senyawa sulfur dan pereduski NO3 (denitrifikasi)

METABOLISME FOTOSINTESIS (Fotoototrof, Fotoorganotrof)

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

Fotosintesis Anoksigenik: Tidak Menghasilkan O2Fotosintesis bakteri ungu non belerang CO2 + 2CH3CHOHCH3 (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3

Fotosintesis bakteri hijau belerangCO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S

Fotosintesis Oksigenik: Menghasilkan O2Fotosintesis Sianobakteri 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

4. 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

4 TAHAPAN DALAM RESPIRASI

GlukosaTahap I= Glikolisis

Asam Piruvat

Acetyl-CoA

CO2

Tahap II = Dekarbiksilasi as. Pyrupat

[NADH]

Tahap III = Siklus Kreb TCA

Tahap IV = Rantai Pernafasan

Rantai Pernafasan

eO2 H2O

ATP

Fosforilasi oksidatif

Energi

Elektron akseptor

GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat1. Lintasan Fructose Biphosphate Aldolase yang lebih dikenal sebagai lintasan EmbdenMeyerhof-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 EmbdenMeyerhof-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 Donor e-

Terminal akseptor e

MENARA ENERGI

Perbedaan redox menggambarkan besarnya perolehan energi. Semakin negatif semakin tereduksi dan sebaliknya semakin teroksidasi

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 sebagaiakseptor 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

5. 1. METABOLISME PROTEINBakteri, 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 -ketoglutarat sehingga terbentuk dua molekul L-glutamat: -ketoglutarat + L-glutamine + NADPH2 + H+ L-Glutamat + NADP+

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

Katabolisme asam aminoAsam 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 ketoglutarat.

Biosintesis asam amino

Biosintesis nukleotida.

Biosintesis purin

Biosintesis pirimidin

5. 2. METABOLISME LIPIDBersama-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

Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan anaerbob dan aerob Lintasan anaerob Eschericia coli Salmonella typhimurium Serratia maecesens Azotobacter agilis Lactobacillus plantarum Agrobacterium tumifaciens Clostridium pasteurianum Staphylococcus haemolyticus LIntasan aerob Alkaligenes faecalis Corynebacterium diphteriae Mycoibacterium phlei Bacillus (beberapa spesies) Micrococcus luteus Beggiatoa Leptospira caicola Sachharomyces cerevisiae

Clostridium butyricumCaulobacter crescentus Propionibacterium

Neurospora crassaCandida lipolytica Stigmatella aurantiaca

Chloroflexus auranticusClorobium limicola

Degradasi Lipid

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