METABOLISME MIKROBA

I
METABOLISME MIKROBA
PETA KONSEP
Karbohidrat, Lemak, Protein
Proses 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
DEFINISI METABOLISME
Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme
atau semua reaksi yang melibatkan transformasi
energi kimia di dalam mahluk hidup
– Definisi Metabolisme, Katabolisme dan
Anabolisme
– Metabolisme sebagai proses produksi
energi untuk kehidupan sel
– Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP
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
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 tersebut
Teori Kunci-Anak
kunci
Ukuran molekul
enzim > substrat
Penurunan energi
aktivasi
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
Sumber H+
Metabolisme
Sumber C Sumber N Sumber
energi
Heterotrof/
Kemoorganotrof
Organik
Organik
Atau
anorganik
Oksidasi
senyawa organik
Ototrof/
kemolitotrof
CO2
anorganik
Oksidasi
Senyawa
anorganik
Fotosintesis
Fotolitotrof
Bakteri
CO2
Sianobakteri CO2
Fotoorganotrof
Bakteri
CO2
Anorganik
Anorganik
Cahaya matahari H2S atau H2
Cahaya matahari Fotolisis H2O
Anorganik
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
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
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 Ototrof
Tipe kemosintetis
Oksidasi
senyawa anorganik
sebagai sumber energi
Famili, Genus, spesies
pewakil
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 Thiobacillus thiooxidans
Thiobacillus ferrooxidans
Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+.
Ferrobacillus,
Leptothrix
Pengoksidasi
senyawa sulfur dan
pereduski NO3
(denitrifikasi)
S2O3 dioksidasi, NO3 direduksi
Thiobacillus denitrificans
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 O2
Fotosintesis bakteri ungu non belerang
CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3
Fotosintesis bakteri hijau belerang
CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S
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
TAHAPAN DALAM RESPIRASI
Glukosa
Asam Piruvat
Tahap I=
Glikolisis
Acetyl-CoA
CO2
Tahap III = Siklus Kreb
TCA
[NADH]
Tahap IV = Rantai
Pernafasan
Rantai Pernafasan
Tahap II = Dekarbiksilasi
as. Pyrupat
eO2
ATP
Fosforilasi
oksidatif
Energi
Elektron
akseptor
H2O
GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat
1. 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 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 γketoglutarat.
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
Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan
anaerbob dan aerob
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
Degradasi Lipid
Degradasi lemak menjadi asam lemak (fatty acid)
dan gliserol (glycerol) yang dikatalis oleh enzim
lipase