Biokimia Perombakan bahan organik

Biokimia Perombakan bahan organik
Materi Kuliah Biologi Tanah
Prodi Agroteknologi FPUPNVY
PERTEMUAN KE 4-5
Dosen: Ir.Sri Sumarsih, MP.
E-mail: [email protected]
Weblog: Sumarsih07.wordpress.com
Website: agriculture.upnyk.ac.id
Jalur reaksi
perombakan
senyawa
karbon
1
Karbohidrat
Dekomposisi hemiselulosa, selulosa dan khitin
Dekomposisi
hemiselulosa
Dekomposisi
selulosa
Dekomposisi
khitin
2
Ligno
selulosa
Struktur lignin yang
menyelimuti selulosa pada
tanaman Selaginella
Model struktur
lignin pada kayu
Monomer molekul
lignin:
Gugus -CH3 disebut
metoksil
Potongan struktur
molekul lignin
3
Dekomposisi
lignin
Lignin yang
terdekomposisi
ditandai gugus
metoksil (O-CH3)
berkurang, gugus
hidroksil (-OH)
bertambah
Peruraian Karbohidrat
Polisakarida
enzim ligninase, selulase, amylase, dll
Monosakarida
jalur EMP (glikolisis) , HMP, ED
Asam piruvat
Siklus Krebs
CO2 + H2O + Energi
4
Peruraian Lemak
Lipida
Enzim lipase
Gliserol
Asam lemak
EMP (Glikolisis)
Asam asetat
Asetat-coA
Siklus Krebs
CO2 + H2O + Energi
Cell Wall
Peruraian
protein
Amino Acids
Cell Membrane
Amino Acid
Transport
System
?
Di/Tri
Peptide
Transport
System
Di/Tri
peptides
?
Smaller Oligopeptides
?
Large Oligopeptides
Cytoplasm
Amino Acids
Di- and TriPeptidases
Di/Tri Peptides
Peptidases
Oligopeptide
Transport
System
Oligopeptides
Proteinase
Casein
5
Peruraian protein
Protein
enzim proteinase
Polipeptida
enzim peptidase
Oligopeptida
asam amino
Asam amino intra seluler
Deaminasi
Dekarboksilasi
Transaminasi
NH3+CO2
CO2
NH4
Biosintesis
protein
Jalur EMP
(glikolisis) dan
siklus Krebs
(Tricarboxylic
Acid/TCA)
6
Tricarboxylic Acid
Cycle
7
Siklus TCA
•Piruvat (Asetat) dari glikolisis
didegradasi menjadi CO2
•Dihasilkan beberapa ATP
•NADH dibuat lebih banyak
•NADH akan membuat ATP lebih banyak
dalam transport elektron dan fosforilasi
oksidatif
Logika Kimia Siklus TCA
•TCA nampaknya memiliki jalur yang kompleks
untuk mengoksidasi asetat menjadi CO2
•Tetapi jalan normal (2 jalan) untuk memecah
ikatan C-C dan mengoksidasi tidak bekerja
untuk CO2 (perhatikan slide berikutnya)
1) Pemecahan antara karbon α dan β
menjadi karbonil
2) Pemecahan α pada α-hidroksiketon
8
Lecture 31. The Tricarboxylic Acid Cycle
17
Logika kimia siklus TCA
Asetat tdk memiliki
β-karbon atau hidroksil:
Dua jalan pemecahan ikatan C-C:
O
O
O
C Cα
O OH
Cβ
C Cα
H3C C
O
pyruvate
α−Cleavage
β-Cleavage
O
O
H3C
C
Oacetate
example: aldolase
example: transketolase
H3C C S CoA
Acetyl-CoA
•Jadi TCA mengkondensasi asetat dg oksaloasetat dan melakukan pemecahan β
dg oksidasi unt membentuk CO2, regenerasi oksaloasetat dan penangkapan
Semua energi sebagai NADH dan ATP!
Lecture 31. The Tricarboxylic Acid Cycle
18
Intermediat TCA
O
Acetyl-CoA
O
C COO-
entry
H3C C S CoA
•Warna merah karboksilat diokisadi menjadi CO2 dan di
dekarboksilasi;
•Nomor di bawah tiap-tiap intermediet menunjukkan
jumlah karbon. Siklus dimulai dengan 6 karbon dan
diakhiri dengan 4 karbon.
H2C COOoxaloacetate
citrate
H2C COOHO
isocitrate
H2C COO-
C COO-
HC COO-
H2C COO
CH COO-
6
HO
6
α-ketoglutarate
H2C COO-
succinyl-CoA
H2C COO-
CH2
CH2
C COO
C
O
5
Succinate
Fumarate
H2C COO-
HC COO-
-
HC COO-
H2C COO
Malate
OH
O
HC COO-
C COO-
H2C COO-
H2C COO-
SCoA
O
4
oxaloacetate
4
4
4
4
9
Tahap Jembatan: Dekarboksilasi Oksidatif
Piruvat
Piruvat dehidrogenase kompleks (PDC)
Piruvat + CoA + NAD+
O
asetyl-CoA + CO2 + NADH + H+
O
O
H3C C S CoA
H3C C
O
Acetyl-CoA
pyruvate
•Piruvat masuk ke mitokhondria
•Kaitan glikolisis ke TCA
Masuk pd suklis TCA: Sitrat Sintase Reaksi
kondensasi oksaloasetat dengan actyl-CoA
Sitrat Sintase
Oksaloasetat+Acetyl-CoA
Sitrat+CoASH
citrate
O
C COO-
H2C COO
oxaloacetate
O
H2C COO-
H3C C S CoA
-
Acetyl-CoA
HO
C COOH2C COO-
•Karbon metil gugus asetil dari asetil-CoA berkondensasi
dengan gugus karbonil pada oksaloasetat. Ikatan tioester
dipecahkan unt membebaskan KoA
•Dihasilkan asam sitrat
10
Isomerisasi Sitrat menjadi Isocitrate oleh
Akonitase
Akonitase
Sitrat
Isositrat
citrate
H2C COO
H2C COO
S
HC COO-
C COO-
C COO-
HO
H2C COO-
H2C COO-
-
CH COO-
-
R
HC COO
-
HO
•Enzim akonitase mengkatalisis perubahan dapat balik sitrat
mjd isositrat melalui pembentukan sis-akonitat
•Sisi aktif mengandung pusat besi-sulfur, stereospecific;
•Fluoroasetat sebagai penghambat TCA
Isositrat Dehyidrogenase: Oksidasi pertama
Isositrat dehidrogenase
Isositrat + NAD+
isocitrate
H2C COOS
HC COOCH COO-
α-ketoglutarat + CO2+ NADH +H+
Oxalosuccinate
-
H2C COO
O
HC
OC COO
α-ketoglutarate
H2C COOCH2
C COO-
R
HO
O
O
5
•Terdapat dua jenis isositrat dehidrogenase yang satu
memerlukan NAD+ sbg penerima elektron, yg lain NADP+
•Mitokondria mengandung dua tipe enzim tsb
• ADP sbg aktivator,
• α-ketoglutarat juga berperan nantinya dalam metabolisme
nitrogen.
11
α-Ketoglutarat Dehidrogenase: Dekarboksilasi
kedua
α-Ketoglutarat dehidrogenase
α-ketoglut.+ NAD++CoA
α-ketoglutarate
H2C COO
Suksinil-CoA + CO2+NADH +H+
succinyl-CoA
-
H2C COO-
CH2
CH2
C COO-
C SCoA
O
5
O
4
•Reaksi ini sama dengan reaksi piruvat dehidrogenase
Suksinil-CoA Sintetase: Fosforilasi tingkat
Substrat menghasilkan GTP (akhirnya ATP)
Suksinil-CoA Sintetase
Suksinil-CoA +GDP+P
Suksinat + GTP+CoASH
Succinate
succinyl-CoA
H2C COO-
H2C COO-
H2C COO-
CH2
C SCoA
O
4
Nukleosida difosfat kinase
GTP + ADP
GDP + ATP
•Fosforilasi-tingkta-Substrat: substrat, lebih baik daripada rantai transport
elektron atau gradien proton, menyediakan energi untr fosforilasi.
•Pada tahapini, dihasilkan 2 NADH, 1 GTP atau dihasilkan ATP, jumlah
karbon dirediksi menjadi 4.
•Tahap2 berikutnya adalah mengubah suksinat mjd oksaloasetat.
12
Suksinat Dehidrogenase: Oksidasi FAD
Suksinat Dehidrogenase
Suksinat + FAD
Fumarat + FADH2
Succinate
Fumarate
H2C COO-
HC COO-
H2C COO-
HC COO
-
•Suksinat dioksidasi mjd fumarat, yg mana FAD direduksi mjd FADH2
•Suksinat dehidrogenase juga dikenl sbg suksinat-koenzim Q
reduktase. Tahap ini adalah bagian dari rantai transport elektron.
•Asosiasi dg membran dlm mitokhondria
Fumarase Mengkatalisis Trans-hidrasi Fumarat
Fumarase
Fumarate+H2O
Fumarate
L-Malate
Malate
OH
HC COO-
HC COO-
HC COO-
H2C COO
-
13
Malat Dehidrogenase: Pelengkap siklus
MDH
L-Malat + NAD+
Oksaloasetat+NADH+H+
Malate
oxaloacetate
OH
HC COO
O
-
C COO-
H2C COO-
H2C COO-
•L-Malat dioksidasi mjd oksaloasetat; NAD direduksi mjd
NADH;
•Reaksi Endergonik
Homolactic fermentation of Glucose
(Embden-Meyerhof Pathway, Glycolysis+LDH)
Glucose
G-P
F-6-P
FDP aldolase
F-1,6-P
Dihydroxyacetone-P
Glyceraldehyde (C3)
PEP
(2) Pyruvate (C3)
Lactata dehydrogenase (LDH)
(2) Lactate
(C3)
Products:
2ATP
2Lactate
Key enzymes
FDP aldolase
Lactate
dehydrogenase
14
Mixed Acid Fermentation:
Alternative end products for pyruvate
Glucose
FDP aldolase
Dihydroxyacetone-phosphate
Glyceralderhyde-3-phosphate
NAD+
LDH
(2) Lactate
(2)Pyruvate
(2)NAD+
NADH+H+
(2) ADP
(2) ATP
(2) ADP
(2) ATP
(2)CoA
(2)NADH+(2)H
+
PFL
(2) Formate
(2) Acetyl-CoA
NADH+H+
NAD+
Products:
3ATP
2 Formate
1 Ethanol
1 Acetate
Key enzymes
FDP aldolase
Pyruvate formate lyase (PFL)
Acetaldehyde
Acetyl-phosphate
NADH+H+
NAD+
ADP
ATP
Ethanol
Acetate
Heterolactic Fermentation of Glucose
(Pentose Phosphate Pathway)
Glucose
facultative anaerobic
Anaerobic, aero-tolerant
CO2
Ribulose-5-phosphate
Xylulose-5-phosphate
PK
Glyceralderhyde-3-phosphate
Pyruvate
LDH
Lactate
Acetyl-phosphate
Acetaldehyde
Ethanol
Acetate
Products:
2ATP
2 CO2
1 Lactate
1 Acetate
Key enzymes
PK
LDH
(NADH oxidase)
15
Biokimia pembentukan humus
Teori lignin untuk pembentukan humus
16
Teori polifenol untuk pembentukan humus
Struktur humus (asam humat & asam fulvat)
17