BIOKIMIA

BIOKIMIA
Marisa Handajani
• Biokimia : perubahan-perubahan kimia yang dilakukan
oleh organisme hidup
• Reaksi yang berlangsung :
– Ekstraseluler reaksi hidrolisis (reaksi pemutusan ikatan
kimia dengan penambahan air)
– Intraseluler
• Reaksi-reaksi kimia yang dilakukan oleh organisme ini
terjadi pada temperatur jauh dibawah temperatur yang
sesungguhnya diperlukan untuk rekasi tersebut KATALIS
• Katalis menurunkan energi aktivasi untuk reaksi
• Katalis yang dihasilkan oleh organisme hidup ENZIM
Proses Biologi
S
S
S S
S
S
S
S
S
B
CO2
C
H2O
O2
ENZIM
• Enzim adalah katalis organik yang dihasilkan oleh sel
hidup dan dapat bekerja di luar maupun di dalam sel
– Enzim ekstraseluler : enzim yang disekresikan oleh sel
– Enzim intraseluler : enzim yang bersatu dengan
protoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam sel
• Enzim berfungsi menginisiasi reaksi dan
mengendalikan kecepatan reaksi spesifik untuk jenis
organisme
• Enzim merupakan senyawa protein yang sensitif
terhadap suhu
• Nomenklatur : reaksi yang terjadi diberi akhiran -ase
Jenis Enzim
• Konstitutif (constitutive) : enzim yang
dihasilkan terus menerus
• Inducibel (inducible) : enzim yang dihasilkan
apabila dibutuhkan sebagai repons terhadap
stimulus eksternal
6 Kelompok Enzim
• Hidrolase (Karbosidase, Esterase, Proteoase,
Amidase, Deaminase)
• Oksido-reduktase (Dehidogenase, Hidorksilase,
Reductive dehalogenase, oksidase, oksiganase,
metan monooksidase, toluen dioksidase, amonia
monooksidase)
• Transferase
• Liase
• Isomerase
• Ligase
Aktivitas Enzim
• Aktivitas enzim ditentukan oleh struktur
proteinnya
• Aktivitas enzim dipengaruhi oleh:
– Kehadiran Ko-faktor:
– Temperatur
– pH
– Ketersediaan makronutrien dan mikronutrien
Ko-Faktor
• Co-factor : struktur non proteinmetal : Zn,
Mg, Mn, Fe, Cu, Co, Ni, K dan Na
• Co-enzim : struktur molekul organik yang
tahan terhadap panas (heat stable)
Temperatur
• Reaksi biokimia mengikuti aturan van’t Hoff
: laju reaksi meningkat 2x untuk setiap
kenaikan temperatur 10oC dalam suatu
rentang suhu tertentu.
• Q10 : rasio laju reaksi pada temperatur
tertentu terhadap laju pada suhu 10oC
dibawahnya
• Nilai Q10 dipengaruhi oleh 3 faktor utama:
1.
2.
3.
Laju degradasi senyawa
Laju transfer oksigen
Kelarutan oksigen
Denaturasi
enzim
pH
• Konsentrasi H+ mempengaruhi
kecepatan reaksi biokimia
• Rentang pH optimum untuk
aktivitas enzim sangat sempit
kebanyakan bekerja pada
kondisi netral 6-9
• Kondisi lingkungan diatur
dengan sistem buffer
Makro-Mikro Nutrien
• Makro Nutrien : Unsur yang diperlukan bakteri
dalam jumlah besar untuk reproduksi : C,N, P,S
• Mikro nutrien : unsur yang dibutuhkan dalam
jumlah kecil (trace amount) untuk metabolisme
sel (aktivitas enzim dan kapasitas fisiologi lainnya)
– Ca, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, K, Se dan Zn. (umum)
– Mo : bakteri fiksasi Nitrogen
– Ni : bakteri methanogen
Biodegradasi
• Mineralisasi : konversi senyawa organik oleh
organisme hidup menjadi produk akhir berupa
mineral (non organik) dalam kondisi aerob.
Dalam mineralisasi akan dihasilkan energi
• Biotransformasi : konversi senyawa organik asal
tidak menjadi mineral secara sempurna, namun
sebagian dikonversi menjadi senyawa organik
lain.
Biotransformasi
Biokimia Karbohidrat
• Bakteri menggunakan karbohidrat untuk sintesa lemak,
protein dan memperoleh energi serta jaringan sel
(polisakarida di dalam dan diluar sel).
• Tahap pertama metabolisme karbohidrat : Hidrolisis
sampai sedikitnya tingkat disakarida sebelum transfer
ke dalam sel.
• Setelah didalam sel gula sederhana (monosakarida)
dapat digunakan untuk energi dan sintesa.
• Pathway (jalur) metabolisme gula sederhana
tergantung pada kondisi lingkungan (aerob atau
anaerob)
Biokimia Karbohidrat
• Dalam kedua kondisi tersebut konversi awal yang
terjadi adalah:
• Aerob: (untuk menghasilkan energi)
• Anaerob:
Asam organik >
kapasitas sistem buffer
: pH ↓
INHIBISI atau
Menghentikan
Asam organik
Biokimia Protein
• Bakteri sedikit memerlukan protein.
• Bakteri mampu mensintesa protein dari
nitrogen inorganik dan organik non protein
(karbohidrat, lemak, alkohol)
• protein (hidrolisis) α-asam amino
(deaminasi dalam sel) amonia
(dalam kondisi aerob dan anaerob)
Biokimia Minyak dan Lemak
• Degradasi lemak memiliki jalur yang sama untuk kondisi aerob dan
anaerob.
• Lemak (hidrolisis) gliserol dan asam lemak
• Asam lemak bebas (hidrolisi material lemak; deaminasi asam
amino; fermentasi karbohidrat dan oksidasi omega) akan dipecah
melalui proses oksidasi pada atom karbon beta (beta oxydation) Knopp’s theory
• Oksidasi ini berlangsung beberapa tahap
• Senyawa yang berperan dalam proses transformasi ini adalah
“Coenzim A”
• Oksidasi tercapai melalaui penyisihan hidrogen (elektron) secara
enzimatik yang difasilitasi oleh electron carrier (FAD dan NAD)
• Pada tahap akhir pemecahan molekul,
dihasilkan 1 molekul asam asetat dan 1
molekul (original) asam menjadi sebuah asam
turunan dengan jumlah atom karbon dua atau
kurang.
• Aerob : elektron dibawa FADH dan NADH
digunakan untuk mereduksi molekul O2 H2O dan menghasilkan energi
• Anaerob: transfer elektron tidak mengikuti
skema ini.
Klasifikasi Organisme
• Sumber Karbon untuk sintesa sel
– Senyawa organik : heterotrophs
– Karbon anorganik : autotrophs
• Cara menghasilkan energi
– Sinar matahari : photosynthetic/phototophic
– Oksidasi senyawa organik : chemoorganotrophs
– Oksidasi senyawa anorganik : chemolithotrophs
Jalur Biokimia Umum
• Mikroorganisme mendapatkan energi melalui
oksidasi karbohidrat, protein dan lemak
• Reaksi oksidasi melibatkan perpindahan
elektron :
– dari senyawa tereduksi (elektron donor) makanan mikroorganisme
• Senyawa organik
• Senyawa anorganik : NH3, S2-, H2, Fe2+
– ke material pengoksidasi (elektron aksetor)
• Energi yang dipindahkan dari donor
elektron ke organisme untk sintesis
dan pemeliharaan sel melalui
serangkaian rekasi enzim dimulai
dengan pembentukan pembawa
elektron FADH dan NADH
• Senyawa kunci dalam rangkaian
transfer enerrgi adalah Nukleotida,
Adenosine diphosphate (ADP)
• ADP menggunakan energi yang dihasilkan dari
oksidasi untuk membentuk ikatan dengan fosfat
untuk membentuk nukeotida yang lain :
Adenosine Triphosphate (ATP)
• ATP yang terbentuk akan bergerak ke dalam sel
untuk memberikan energi bagi sintesis, dan
pemeliharaan sel atau pergerakan. Dengan reaksi
kebalikan persamaan di atas.
• Fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation)
: proses dimana energi yang terkandung dalam
NADH (atau electron carriers lain – FADH dan
NADPH) dapat dikonversi ke ATP dan
melibatkan terbentuknya gradien proton (H+) –
proton motive force.
• Energi yang tersimpan dalam gradien ini
digunakan untuk membentuk ATP.
• Jumlah energi yang terbentuk ditentukan oleh
akseptor elektron akhir yang tersedia.
• Dalam kondisi aerob:
• Energi yang dihasilkan dari setiap mol NADH:
Aerob > reduksi Fe dan denitrifikasi > anaerob
• Ketersediaan energi dapat diketahui
berdasarkan “energi bebas”
• Reaksi setimbang untuk oksidasi donor
elektron dan reduksi terminal elektron
akseptor didapat dengan menggabungkan
“half reaction”
• Nilai ΔG0 dapat dihitung, pengecualian untuk
H+ = -39.87/eq, nilai ΔG0 pada pH 7; [H+]=10-7.
Energi dan Pertumbuhan Bakteri
• Mikroorganisme mengoksidasi senyawa
organik maupun anorganik untuk memperoleh
energi untuk pertumbuhan dan pemeliharaan
sel.
• Informasi tentang transformasi yang terjadi
akan membantu dalam perhitungan
kebutuhan terminal elektron akseptor dan
jumlah produk akhir dan produk antara yang
terjadi NERACA MASSA
• Pembuatan neraca massa memerlukan
informasi reaksi kimia yang setimbang untuk
keseluruhan konversi secara biologi, termasuk
untuk keperluan sintesa dan energi
• Porsi Sintesa : C5H7O2N
• Reaksi yang terjadi dapat menggunakan reaksi
pada Tabel 6.4
• Rc = setengah reaksi untuk sintesis sel bakteri (1)
atau (2)
• Ra = setengah reaksi untuk elektron aksetor
• Rd = setengah reaksi untuk donor elektron
• fs = porsi elektron donor untuk sintesa
• fe = porsi elektron donor untuk energi
• fs+fe =1
• V
Sel muda
yang
tumbuh
dengan
cepat
Sel tua fs ≈
20% fs max
energi
untuk
maintence >
sintesa