Prokaryot anaerob mengoksidasi NADH dan pembawa elektron lain

6 Prokaryot anaerob mengoksidasi
NADH dan pembawa elektron
lain → respirasi anaerobik
(nitrat, sulfat atau fumarat sebagai
akseptor elektron) atau fermentasi
6 Fermentasi : lintasan dimana
NADH
(akseptor
elektron
lainnya) dioksidasi pada lintasan
tsb → terjadi di sitosol → ATP
dari fosforilasi tingkat substrat.
6Fermentasi hanya terjadi di
prokariot, pada khamir butuh
O2 kecuali bila ada sterol dan
asam lemak tak jenuh
Beberapa sel hewan mampu
berfermentasi seperti sel otot,
sel darah merah manusia.
Jenis fermentasi tergantung
produk
akhir
utama:
fermentasi etanol oleh khamir,
fermentasi asam laktat oleh
sel otot, sel darah merah
manusia.
Fermentasi karbohidrat diklasifikasikan dalam 6 grup: laktat,
etanol, butirat, asam campuran,
propionat, homoacetat.
Toksisitas oksigen: Oksigen
tereduksi (radikal hidroksil,
radikal superoksida, hidrogen
peroksida) bersifat toksik bagi
anaerob obligat.
Bentuk superoksida terbentuk
karena penambahan 1 elektron
O2 + e- → O2Flavoprotein,
quinon
dan
protein
FeS
melepas
superoksida.
Organisme aerobik memiliki
superoksida dismutase
O2- + O2- + 2H+ → H2O2 + O2
H 2O 2 + H 2O 2 → H 2O + O 2
oleh enzim katalase
fermentasi
Reduksi
Metanogen
Fermentasi asam amino,
karbohidrat, purin, pirimidin →
asam organik dan alkohol →
CO2, CH4 dan H2 (berbagai
tipe bakteri) →
rantai
makanan anaerobik → siklus
karbon.
Asetogen pereduksi proton
obligat mengoksidasi butirat,
propionat,
etanol
dan
komponen lain ke asetat, CO2
dan H2 sumber utama / satusatunya “electron sink” adalah
proton. Fisiologinya belum
jelas, kemungkinan:
elektron dari substrat →
pembawa elektron intermediat
(NAD+) → hidrogenase → H+.
Contoh
CH3CH2COO- + 3H2O →
CH3COO- + HCO3- + H+ = 3H2
ΔG’o = + 76,1 KJ
A. Fosforilasi tingkat substrat
1. 1,3 BPGA + ADP
2. PEP
+ ADP
3. ASETIL-P + ADP
3- PGA
+ ATP
PIRUVAT
+ ATP
ASETAT
+ ATP
B. Respirasi Fumarat
In
Out
In
Out
AH2
2H+ + Fumarat
H+ + NADH
2H+
QLOOP
2e-
Suksinat
2H+ + Fumarat
A+2H+
2eSuksinat
C. Pompa proton dan produk efflux
In
Out
D. Na+bebas mendekarboksilasi
organik
In
Out
Laktat
OAA
2Na+
CO2 + Piruvat
nH+
E. Oksalat elektrogenik menjadi Format
In
-O
2C-CO2
Out
-O
-
H+
CO2
HCOO-
2C-CO2
-
asam
Lintasan Akrilat → propionat
Clostridium propionicum :
3 laktat → 2 propionat + 1
asetat + 1 CO2 + 1ATP
ATP dari fosforilasi tingkat
substrat pada konversi asetilP ke asetat (asetat kinase).
Satu asetat per 3 laktat → 1/3
ATP /lintasan
Penting!
Pada
glikolisis
produksi
asetat berasosiasi dengan
pembentukan 2 ATP.
(2H)
CH3 CHOH
COOH
Laktat
1
O
CH3 C COOH
Piruvat
(2H) CO2
2
O
CH3 C ∼ SCoA
Asetil-CoA
CoASH
5
3
CoASH
O
C ∼ SCoA
Laktil-CoA
CH3 CHOH
O
CH3 C O ∼ P
Asetil-P
6
H 2O
O
CoASH
C ∼ SCoA
CH2 CH
2(H)
Akrilil-CoA
4
ADP
ATP
X2
7
CH3 COOH
O
CH3 CH2
Asetat
C ∼ SCoA
Laktil-CoA
CH3 CH2
COOH
Propionat
Enzim :
(1) laktat dehidrogenase, (2) Piruvat-ferredoksin oksidoreduktase,
(3) fosfotransasetilase, (4) asetat kinase, (5) CoA transferase,
(7) dehidrogenase. Reaksi 6 is not sufficiently characterized.
Transfer Coenzim A dari 1
bahan organik ke yang lain
(CoA transferase)
Lintasan suksinat-propionat
&Pada Propionibacterium :
Gram +, anaerobik, non motil,
tak
berspora,
batang
pleomorfik, hewan normal
rumen
herbivora,
kulit
manusia, produk susu.
&Digunakan pada pembuatan
keju swiss.
&Menghasilkan lebih banyak
ATP/mol propionat.
Reaksi transkarboksilasi utk
menyimpan ATP
… Karboksilasi piruvat dengan
piruvat karboksilase dan CO2,
butuh ATP
… Propionibacterium : methylmalonyl-CoA-pyruvat
transkarboksilase → transfer
grup karboksil dari methylmalonyl-CoA ke piruvat tanpa
ATP
6(H)
3CH3 CHOH COOH
Laktat
(2H) CO2
O
3CH3 C
1
COOH
CH3 C ∼ SCoA
Asetil-CoA
2
Piruvat
O
CoASH
5
3
COOH
C
CH3 CH2
O
CH2 Oksaloasetat
COOH
Propionat
2COOH
4(H)
O
CH3 C O ∼ P
Asetil-P
6
4
Propionil-CoA
2CH3
2COOH
CH2
CH2
C ∼SCoA
C HOH
ATP
CH3 COOH
COOH Malat
O
ADP
Asetat
Enzim:
7
2H2O
Metil malonil-CoA
2COOH
2COOH
CH
C H
CH3
H
C ∼SCoA
(1) Laktat dehidrogenase
(a flavoprotein),
(2) Piruvat dehidrogenase
(enzim NAD+ )
C
Fumarat
COOH
O
(3) Fosfotransasetilase,
(4) Asetat kinase,
8
ADP+Pi
4(H)
ATP
10
COOH
C H2
C ∼SCoA
O
Suksinil-CoA
(6) Malat dehidrogenase,
2(CoAS)
C H2
9
(5) metilmalonil-CoA-piruvat
transkarboksilase,
2COOH
(7) Fumarase,
C H2
(8) Fumarat reduktase,
C H2
Suksinat
(9)CoA transferase
COOH
(10) metilmalonil-CoArasemase.
Propionibacteria
memproduksi
dapat
suksinat
dan
propionat sebagai produk akhir
bila ditumbuhkan pada glukosa
→ memiliki karboksilase C3 ke
C4.
PEP + CO2 + P → oxaloasetat
+ PPi
PPi digunakan untuk fosforilasi
Fru-6P dan serin (Fosfoserin)
Oxaloasetat
suksinat
direduksi
ke
Lintasan
dari
Suksinat:
PEP
ke
1. Fumarat sebagai electron
sinks yang memungkinkan
NADH di oksidasi
2. Fumarat reduktase → situs
penggabungan
Suksinat dapat dikonversi ke
succinyl-CoA
yang
dibutuhkan
untuk
biosintesis tetrapyrol, lisin,
asam diaminopimelat dan
metionin
Fermentasi
(asetogenesis)
asetat
C C. thermoaceticum : CO2
sebagai
electron sink
melalui lintasan asetil CoA
C
Desulfotomaculum
thermobenzoicum (pereduksi
sulfat) : jika tumbuh pada
piruvat tanpa sulfat
Desulfobulbus
propionicus
memfermentasi piruvat ke
asetat dan propionat melalui
lintasan suksinat-propionat
8(H)
O
4CH3
C
COOH
Piruvat
1
CoASH
4CO2
O
4CH3
C ∼ SCoA
O
4CH3
O∼P
C
4ADP
3
ATP
4CH3COOH
Asetat
CO2
6(H),ATP
CO2
4
2(H)
(CH3)
(CO)
O
CoASH
6
CH3
C ∼ SCoA
O
CH3
5
C
O∼P
ADP
8
ATP
CH3COOH
Asetat
Enzim :
(1) piruvat dehidrogenase, (2,7) fosfotransasetilase, (3,8) asetat kinase,
(4) enzim dari lintasan asetil Co-A, (5,6) karbon monoksida dehidrogenase.
Fermentasi Laktat
I Grup yang heterogen,
anaerob toleran, ada pada kulit
hewan, traktus gastrointestinal,
beberapa hidup di vegetasi,
produk susu, ada penting dalam
bidang medis dan komersial
I Lactobacillus, Leuconostoc,
Sporolactobacillus, Pediococcus
dan Bifidobacterium
I Memfermentasi
glukosa
hanya melalui fermentasi
→
ATP dari fosforilasi tingkat
substrat. Kondisi tertentu →
mentransport laktat keluar sel
dengan
simport
H+
menghasilkan ΔΨ
Tipe fermentasi:
1. Homofermentasi : glikolisis
2. Heterofermentasi : pentosa
fosfat
3. Lintasan Bifidum:
Bifidobacterium bifidum
Homofermentasi laktat
Glukosa + 2 ADP + 2 Pi → 2
laktat + 2 ATP
Heterofermentasi laktat
Laktat
diproduksi
saat
dekarboksilasi dan isomerisasi
pada lintasan pentosa fosfat
Glukosa + ADP + Pi → etanol
+ laktat + CO2 + ATP
Lintasan Bifidum
2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi → 3
asetat + 2 laktat + 5 ATP
Menggunakan reaksi pentosa
fosfat dan homofermentatif
Fermentasi asam campuran
dan butanediol
Bakteri
entero
bersifat
anaerob
fakultatif
→
perubahan ke anaerob:
1.Reduktase
terminal
mengganti oksidase pada
rantai transpor elektron
2.Siklus TCA tereduksi.
Suksinat
dehidrogenase
diganti fumarat reduktase
3.Piruvat-format liase diganti
piruvat dehidrogenase
4.Fermentasi
asam
campuran atau butanediol
Fermentasi
asam
campuran
dan butanediol sama
dalam
hal memproduksi asam organik
campuran, CO2 dan NADH.
Fermentasi
(Serratia,
butanediol
Enterobacter
dan
Erwinia) banyak memproduksi
2,3 butanediol, asetoin, CO2
dan etanol
Fermentasi asam campuran:
Escherichia,
Salmonella,
Shigella
Fermentasi asam campuran
Reaktannya: PEP + CO2 atau
Piruvat
Produknya: suksinat, laktat,
asetat, etanol, format, CO2, H2.
Format dioksidasi ke CO2 dan
H2 oleh sistim enzim formathidrogen liase yang terdiri atas
format
dehidrogenase
dan
hidrogenase.
Format
dehidrogenase
mengoksidasi format ke CO2
dan mereduksi hidrogenase
yang akan mentransfer elektron
ke 2 proton membentuk H2.
Shigella dan Erwinia tak
mempunyai
format-hidrogen
liase → tak ada gas
2(H)
ATP
Glukosa
G6P
6-P-Glukonat
2
1
2(H)
1
2
C
O
HO C
O
H
5
RuMP
3
CH2OH
3
4
CO2
C
4
OH
CH2O P
Xyl-5-P
Pi
5
H
3
C
Enzim ;
O
CHOH
5
CH2O P
PGALD
Pi
2(H)
O
(1) heksokinase,
4
CH3 C O ∼ P
1
2
Asetil-P
(2) glukosa-6 fosfat
dehidrogenase,
Pi
(3) 6-fosfoglukonat
dehidrogenase,
9
O
(4) ribulose-5-fosfat
epimerase,
O
CH3 C ∼ SCoA
C O∼P
(5) fosfoketolase,
CHOH
(6) fosfotransasetilase,
CH2O P
1.3 BPGA
ADP
10
ATP
6
2(H)
7
O
(7) asetaldehid
dehidrogenase,
(8) alkohol dehidrogenase,
CH3 C H
Asetaldehid
(9) PGALD dehidrogenase,
2(H)
8
(10) PGA kinase,
COOH
(11) fosfogliserat mutase,
CHOH
(12) enolase,
CH2O P
3-PGA
11
(13) piruvat kinase,
COOH
CHO P
CH2OH
2-PGA
CH3 CH2OH
Etanol
(14) laktat dehidrogenase.
COOH
COOH
COOH
C O∼P
C O
CHOH
CH2
CH3
CH3
PEP
Piruvat
Laktat
1/2 Glukosa
ATP
1
ADP
ADP + Pi
2H
ATP
CO2
Pi
PEP
10
ADP
OAA
11
2
ATP
2(H)
Piruvat
Malat
3
12
CoASH
H 2O
Pi
2(H)
Suksinat
Format
Asetil-CoA +
Fumarat
13
Laktat
4
2(H)
8
6
5
CoASH
Asetaldehid
Asetil-P
ADP
CO2
H2
7
9
ATP
Asetat
Etanol
Enzim :
(1) enzim glikolitik, (2) piruvat kinase, (3) piruvat-format liase, (4) laktat
dehidrogenase, (5) format-hidrogen lyase, (6) asetaldehid dehidrogenase,
(7) alkohol dehidrogenase, (8) fosfotransasetilase, (9) asetat kinase,
(10) PEP karboksilase, (11) malat dehidrogenase, (12) fumarase,
(13) fumarat reduktase .
Fermentasi Butanediol
Karakternya: 2,3 butanediol dan
asetoin
Dekarboksilasi piruvat oleh α−
asetolaktat sintase yang bergantung
thiamin pirofosfat (TPP) →
asetaldehid aktif terikat ensim.
Asetaldehid aktif ditransfer ke
piruvat oleh α−asetolaktat sintase
membentuk
α−asetolaktat
→
dekarboksilasi → asetoin → 2,3
butanediol
Produksi butanediol disukai pada
kondisi medium agak asam dan
merupakan
cara
bakteri
mengurangi keasaman pH eksternal
yang disebabkan oleh sintesis asam
organik dari piruvat
Fermentasi butirat
Selain butirat juga sedikit CO2
dan H2.
Clostridia proteolitik penting
pada
dekomposisi
protein
secara anaerob dan disebut
putrefaction
Fermentasi butirat dan butanolaseton
Pada C.acetobutylicum.
Pada
fase
eksponensial
diproduksi butirat, asetat, CO2
dan H2 (fase asidogenik).
Memasuki
fase
stasioner
konversi asam organik ke
butanol, aseton dan etanol (fase
solventogenik).
Kemampuan mengirim elektron
ke
hidrogen
melalui
NADH:ferredoxin
oxidoreductase memungkinkan
bakteri
memproduksi
lebih
banyak asetat → lebih banyak
ATP daripada mereduksi asetilCoA ke butirat, namun secara
energi tak disukai dan dihambat
oleh akumulasi H2.
1/2 Glukosa
1
2(H)
ATP
Format
O
Laktat
2(H)
10
CoASH
CH3 C COOH
Piruvat
2
3
CO2
+
H2
Asetil-CoA
4
2(H)
6
CO2
Asetaldehid
(CH3 C
TPP.E)
OH
O
CH3 C
5
“Asetaldehid
Aktif”
7
COOH
2(H)
Etanol
TPP.E
OH O
CH3 C
C
COOH
α - Asetolaktat
COOH
8
CO2
Enzim :
CH3
OH
O
CH
C
(1) enzim glikolitik,
CH3
Asetoin
9
(2) piruvat-format liase,
(3) format-hidrogen liase,
(2H)
(4) asetaldehid dehidrogenase,
OH
CH3 CH
(5) alkohol dehidrogenase,
OH
CH
CH3
2,3 Butanediol
(6,7) alfa-asetolaktat sintase,
(8) alfa-asetolaktat dekarboksilase,
(9) 2,3-butanediol dehidrogenase,
(10) laktat dehidrogenase.
CH3
CH3
NH2
CH2 CH2 O
P
P
+N
CH2
Enzim
+N
1
S
S
H 3C
N
H+
H+
TPP-E
H
Dipolar ion
2
CH3
CH3
+N
O
S
+N
CH3 C H
CH3 C
S
O
CH3 C OH
TPP-adduct
C
O
O
O
O
Piruvat
Asetaldehid
3
H+
Reaksi katalis TPP,
(1) TPP-enzim
kehilangan proton
menjadi ion dipolar.
Anion distabilkan
oleh kutub positif
nitrogen.
(2) ion dipolar
berkondensasi
dengan piruvat
membentuk TPPadduct.
(3) Elektron attracting N
dalam TPP
memfasilitasi
dekarboksilasi
membentuk
asetaldehid aktif.
CH3
CO2
CH3
H+
a
+N
S
CH3 C O
N:
a
S
H
“Asetaldehid
aktif”
CH3 C OH
H
H+
b
CH3 C O
CH3
CO2
O OH
CH3 C C
+N
CO2
S
CH3
b
- Asetolaktat
H
CH3
CH3
C
O H
CH3 C OH
CO2
+N
S
2NAD+
Glukosa
Fdred Fdox
2NADH + H+
1
2 Piruvat
2Pi + 2ADP
2ATP
2CH3 C ∼ SCoA
2
2CoASH
O
Asetil-SCoA
2CO2
3
CoASH
O
O
C ∼SCoA
CH3 C CH2
Asetoasetaldehid
H+ + NADH
4
NAD+
OH
O
CH3 C CH2
H
C ∼SCoA
β -Hidroksibutiril-SCoA
5
H 2O
O
CH3 CH CH C ∼SCoA
Krotonil-SCoA
H
Enzim:
(1) glikolisis,
H+ + NADH
6
NAD+
( 2) piruvat-ferredoksin
oksidoreduktase,
O
CH3 CH2 CH2
C ∼SCoA
Butiril-SCoA
7 Pi
(4) beta-hidroksibutiril-CoA
dehidrogenase,
CoAS
O
CH3 CH2 CH2
C
ADP
O∼ P
Butiril-P
8
(5) krotonase,
(6) butiril CoA dehidrogenase,
(7) fosfotransbutirilase,
ATP
(8) butirat kinase
O
CH3 CH2 CH2
(3) asetil-CoA
asetiltransferase (tiolase),
C
OH
Asam butirat
(9) hidrogenase.
ATP
Pentosa
ADP
Glukosa-6-P
ATP
Glukosa
ATP
ADP
ADP
Fruktosa-6-P
ATP
Pentosa-P
ADP
2-Fosfogliseraldehid
4ADP + 2Pi
4ATP
2NAD+
NADH + H+
16
NAD+
H2
2NADH + 2H+
2 Piruvat
17
1 Fdox
2CO2
ATP
Asetat
ADP
Asetil-P
9
+
Fdred 4H
8
2 Asetil-CoA
2
10
Asetaldehid
CoASH
13
Asetoasetil-CoA
11
3
Aseton
CoASH
Pi
CoASH
Asetoasetatik
2H2
CO2
NAD+
NADH + 2H+
Etanol
NAD+
Hidroksibutiril-CoA
4
H 2O
Crotonil-CoA
ATP
Butirat
7
5
ADP
Butiril-P
Pi
6
NADH + H+
NAD+
Butiril-CoA 14
CoASH
NADH + 2H+
Butiraldehid
NADPH + H+
15
NADP+
Butanol
Glukosa
2NAD+
1
2NADH
CO2
2H2
4H+
2 Piruvat
2CO2
2Fdox
2Fdred
2
Asetil-CoA
2H2
4H+
Asetil-CoA
P
3
NADH
Asetaldehid
4
NADH
5
Pi
Asetil-P
6
ADP
CH4
ATP
Etanol
Asetat
Ruminococcus albus
Metanogen
Fermentasi butirat dan butanol aseton pada C. acetobutylicum . Enzim :
(1) piruvat-ferredoksin oksidoreduktase (2) asetil-CoA asetiltransferase (tiolase),
(3) hidroksibutiril-CoA dehidrogenase, (4) krotonase (5) butiril-CoA
dehidrogenase, (6) fosfotransbutirilase, (7) butirat kinase , (8) fosfotransasetilase,
(9) asetat kinase, (10) asetoasetil-CoA: asetat/butirat: CoA transferase; (11)
asetoasetat dekarboksilase, (12) asetaldehid dehidrogenase, (13) etanol
dehidrogenase,
(14) butiraldehid dehidrogenase, (15) butanol
dehidrogenase, (16) NADH- ferredoksin oksidoreduktase dan hidrogenase,
(17) hidrogenase.