mikrobiologi umum 13(2)
TRANSCRIPT
METABOLISME MIKROBA
I
PETA KONSEP
Proses Metabolisme:AnabolismeKatabolisme
Karbohidrat, Lemak, Protein
Proses sintesis sel dan enzim, memelihara steady state sel, penyerapan unsur hara, ekskresi senyawa, pergerakan sel
Reaksi enzimatik, Reaksi Reduksi- Oksidasi
Energi
– Definisi Metabolisme, Katabolisme dan Anabolisme
– Metabolisme sebagai proses produksi energi untuk kehidupan sel
– Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP
DEFINISI METABOLISME
Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme atau semua reaksi yang melibatkan transformasi energi kimia di dalam mahluk hidup
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
• Karaktersitik enzim• Faktor yang mempengaruhi kerja enzim• Pengaturan sistem enzim• Penamaan enzim
ENZIM
DEFINISI DAN KARAKTERISTIK KERJA ENZIM
Protein dengan aktivitas katalitik yang mempercepat reaksi kimia tanpa ikut dalam reaksi tersebut
Teori Kunci-Anak kunci
Penurunan energi aktivasi
Ukuran molekul enzim > substrat
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
Metabolisme Sumber C Sumber N Sumber energi
Sumber H+
Heterotrof/Kemoorganotrof
Organik OrganikAtauanorganik
Oksidasisenyawa organik
-
Ototrof/kemolitotrof
CO2 anorganik OksidasiSenyawaanorganik
-
Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri Sianobakteri Fotoorganotrof Bakteri
CO2
CO2
CO2
AnorganikAnorganik
Anorganik
Cahaya matahariCahaya matahari
Cahaya matahari
H2S atau H2
Fotolisis H2O
Bahanorganik
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
• 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
METABOLISME OTOTROF (kemotrof, kemoototrof,kemolitotrof)
Tipe kemosintetis Oksidasi senyawa anorganik
sebagai sumber energi
Famili, Genus, spesiespewakil
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
Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+.
Thiobacillus thiooxidansThiobacillus ferrooxidansFerrobacillus, Leptothrix
Pengoksidasisenyawa sulfur danpereduski NO3
(denitrifikasi)
S2O3 dioksidasi, NO3 direduksi Thiobacillus denitrificans
Bakteri Ototrof
• 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
METABOLISME FOTOSINTESIS (Fotoototrof, Fotoorganotrof)
Fotosintesis bakteri ungu non belerang
CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3
Fotosintesis bakteri hijau belerang
CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S
Fotosintesis Anoksigenik: Tidak Menghasilkan O2
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
Glukosa Asam Piruvat
Acetyl-CoACO2
O2
H2O
[NADH]
Rantai Pernafasan e-
Elektron akseptor
TAHAPAN DALAM RESPIRASI
Tahap I= Glikolisis
Tahap II = Dekarbiksilasi as. Pyrupat
Tahap III = Siklus Kreb TCA
Tahap IV = Rantai Pernafasan
EnergiATPFosforilasi oksidatif
GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat
1. Lintasan Fructose Biphosphate Aldolase
yang lebih dikenal sebagai lintasan Embden-
Meyerhof-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 Embden-Meyerhof-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
Terminal akseptor e
Donor e-
Perbedaan redox menggambarkan besarnya perolehan energi.
Semakin negatif semakin tereduksi dan sebaliknya semakin teroksidasi
MENARA ENERGI
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 γ-ketoglutarat.
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
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
Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan anaerbob dan aerob
Degradasi Lipid
Degradasi lemak menjadi asam lemak (fatty acid) dan gliserol (glycerol) yang dikatalis oleh enzim lipase