cara mikroba mendapatkan energi

Kuliah ke-III
m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221
METABOLISME I :
Kebutuhan & Sumber Energi bagi
Sel Mikroorganisme
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
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
Metabolisme :
Semua aktivitas kimiawi yang terjadi dalam sel, baik yang
berfungsi penguraian (katabolisme) maupun pembentukan
(anabolisme)  prinsipnya reaksi oksidasi-reduksi
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)
ANABOLISME
(Biosintesis)
KATABOLISME
(Khimosintesis)
Nutrien/Seny kimia
(KH, Protein, Lemak)
Fosforilasi tk. substrat
& Fosforilasi Oksidatif
Energi
ATP
ADP
Biopolimer/Mol Sel
RNA, DNA, Protein,
Polisakarida, Lemak
Prekursor/intermediate
(asam amino, gula, asam
lemak, purin dll)
KATABOLISME
(Fotosintesis)
Cahaya
Fotofosforilasi
ATP
ADP
Akumulasi
intraseluler
Produk metabolisme/
metabolit
Substrat
Skema Proses Metabolisme Di dalam Sel Mikroba
Energi
NH3
ENERGI
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
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
I.2. Energi Kimia & Transfer Energi
• 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
ADP + fosfat
+ air
energi
Ikatan kimia yang mempunyai energi tinggi digambarkan
Dengan garis gelombang (~), terbentuk dengan cara oksidasi
Contoh ikatan kimia berenergi tinggi :
Asetil fosfat
O
CH3 – C ~ P
Asetil Koenzim A
(Acetyl-CoA)
O
CH3 – C ~ S – CoA
Asetat anhidrid
O
O
CH3 – C ~ O ~ C - CH3
I.3. Sintesis ATP oleh Mikroba
a. Fosforilasi Tingkat Substrat
b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis)
c. Fotofosforilasi
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)
Contoh senyawa berenergi tinggi :
*1,3 biphospho glycerate & phosphoenolpyruvate
 dihasilkan dari Glikolisis
*succynil~SCoA  dari Siklus Krebs
a. Fosforilasi Tingkat Substrat
Energi yg dilepaskan dari pemecahan senyawa/substrat
organik berenergi tinggi digunakan untuk sintesis ATP
dari ADP
(substrat berenergi tinggi)
 Terjadi 2 tahap pada Glikolisis dan 1 tahap pada Siklus
Krebs (TCA) yang menghasilkan ATP melalui Fosforilasi
Tingkat Substrat
Fermentasi
Respirasi
Konservasi energi pada Fermentasi dan Respirasi
Fosforilasi Tingkat Substrat
Glikolisis
2 tahap Fosforilasi
Tingkat Substrat
pada Glikolisis
SIKLUS KREBS
1 Tahap
Fosforilasi
Tingkat Substrat
Pada Siklus
Krebs
b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis)
 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
Sumber NADH/FADH2 :
 Glikolisis (pemecahan sumber karbon)
 Reaksi piruvat menjadi acetyl-CoA
 Metabolisme asam lemak
 Siklus Krebs
Komponen
RTE
NADH
dan FADH
2 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
http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/mcmurrygob/medialib/media_portfolio/
ATP
text_images/FG21_111-2.JPG
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 oksidasireduksi (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)
I.4. Lintasan Katabolisme Nutrien :
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
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 dengan
selisih 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 Eo
yang lebih negatif dan mereduksi Eo yang lebih positif
 pemindahan elektron berhubungan dengan produksi
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
(donor elektron)
teroksidasi
esenyawa organik
(akseptor elektron)
energi (2 ATP/mol Glukosa)
tereduksi
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
Hasil samping dari produksi energi pada Fermentasi
yg bermanfaat bagi manusia , contohnya :
1. Fermentasi Alkohol
2. Fermentasi Asam Laktat
3. Fermentasi 2,3-Butanediol
4. Fermentasi Asam Propionat
6. Fermentasi Asam Butirat
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
(donor elektron)
teroksidasi
eenergi ( 36 ATP/mol glukosa)
FAD
sitokroma
O2
H2O
Respirasi Aerobik
- 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)
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 anaerob
Contoh :
- 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
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
electron acceptor
reduced end
product
O2
H2O
NO3
NO2, N2O or N2
SO4
S or H2S
fumarate
succinate
CO2
CH4
name of process organism
aerobic
respiration
anaerobic
respiration:
denitrification
anaerobic
respiration:
sulfate reduction
anaerobic
respiration:using
an organic eacceptor
Escherichia,Strept
omyces
methanogenesis
Methanococcus
Bacillus,Pseudomo
nas
Desulfovibrio
Escherichia
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 wellaerated 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 reduction
It 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)
A & B = tingkat energi elektron
Energi yg digunakan sel
untuk metabolismel
Energi sinar
Matahari
(A) e-
e-
H2O
O2
(A)
• 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)