nadh dan pembawa elektron lain respirasi anaerobik (nitrat ... · pdf filebeberapa sel hewan...
TRANSCRIPT
Prokaryot anaerob mengoksidasiNADH dan pembawa elektronlain → respirasi anaerobik(nitrat, sulfat atau fumarat sebagaiakseptor elektron) atau fermentasi
Fermentasi : lintasan dimanaNADH (akseptor elektronlainnya) dioksidasi pada lintasantsb → terjadi di sitosol → ATPdari fosforilasi tingkat substrat.
Fermentasi hanya terjadi diprokariot, pada khamir butuhO2 kecuali bila ada sterol danasam lemak tak jenuh
Beberapa sel hewan mampuberfermentasi seperti sel otot,sel darah merah manusia.
Jenis fermentasi tergantungproduk akhir utama:fermentasi etanol oleh khamir,fermentasi asam laktat olehsel otot, sel darah merahmanusia.
Fermentasi karbohidrat diklasi-fikasikan dalam 6 grup: laktat,etanol, butirat, asam campuran,propionat, homoacetat.
Toksisitas oksigen: Oksigentereduksi (radikal hidroksil,radikal superoksida, hidrogenperoksida) bersifat toksik bagianaerob obligat.
Bentuk superoksida terbentukkarena penambahan 1 elektron
O2 + e- → O2-
Flavoprotein, quinon danprotein FeS melepassuperoksida.
Organisme aerobik memilikisuperoksida dismutase
O2- + O2
- + 2H+ → H2O2 + O2
H2O2 + H2O2 → H2O + O2
oleh enzim katalase
fermentasi
Reduksi
Metanogen
Fermentasi asam amino,karbohidrat, purin, pirimidin →asam organik dan alkohol →CO2, CH4 dan H2 (berbagaitipe bakteri) → rantaimakanan anaerobik → sikluskarbon.
Asetogen pereduksi protonobligat mengoksidasi butirat,propionat, etanol dankomponen lain ke asetat, CO2dan H2 sumber utama / satu-satunya “electron sink” adalahproton. Fisiologinya belumjelas, kemungkinan:
elektron dari substrat →pembawa elektron intermediat(NAD+) → hidrogenase → H+.
Contoh
CH3CH2COO- + 3H2O →CH3COO- + HCO3
- + H+ = 3H2ΔG’o = + 76,1 KJ
A. Fosforilasi tingkat substrat
1. 1,3 BPGA + ADP 3- PGA + ATP
2. PEP + ADP PIRUVAT + ATP
3. ASETIL-P + ADP ASETAT + ATP
B. Respirasi Fumarat
OutIn
H+ + NADH
2H+ + Fumarat
Suksinat
2e-
QLOOP 2H+
OutIn
2H+ + Fumarat
Suksinat
AH2
A+2H+2e-
C. Pompa proton dan produk efflux
OutIn
Laktat
nH+
OutIn
OAA
CO2 + Piruvat2Na+
D. Na+bebas mendekarboksilasi asamorganik
E. Oksalat elektrogenik menjadi Format
OutIn-O2C-CO2
-
HCOO-
H+
CO2
-O2C-CO2-
Lintasan Akrilat → propionat
Clostridium propionicum :
3 laktat → 2 propionat + 1asetat + 1 CO2 + 1ATP
ATP dari fosforilasi tingkatsubstrat pada konversi asetil-P ke asetat (asetat kinase).Satu asetat per 3 laktat → 1/3ATP /lintasan
Penting!
Pada glikolisis produksiasetat berasosiasi denganpembentukan 2 ATP.
CH3 CHOH COOH(2H)
1CH3 C COOH
O
2
(2H) CO2
CoASH
3CoASH
CH3
O
C ∼ SCoAAsetil-CoA
CH3 C O ∼ PAsetil-P
O
4 ADP
ATP
CH3 COOH
Asetat
O
C ∼ SCoALaktil-CoA
CH3 CHOH
Akrilil-CoA
O
C ∼ SCoACH2 CH
O
C ∼ SCoA
Laktil-CoA
CH3 CH2
CH3 CH2 COOH
Propionat
CoASH
5
6
7
H2O
2(H) X 2
Laktat Piruvat
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 1bahan organik ke yang lain(CoA transferase)
Lintasan suksinat-propionat
Pada Propionibacterium :Gram +, anaerobik, non motil,tak berspora, batangpleomorfik, hewan normalrumen herbivora, kulitmanusia, produk susu.
Digunakan pada pembuatankeju swiss.
Menghasilkan lebih banyakATP/mol propionat.
Reaksi transkarboksilasi utkmenyimpan ATP
Karboksilasi piruvat denganpiruvat karboksilase dan CO2,butuh ATP
Propionibacterium : methyl-malonyl-CoA-pyruvattranskarboksilase → transfergrup karboksil dari methyl-malonyl-CoA ke piruvat tanpaATP
CO2 O
C ∼ SCoA3CH3 CHOH COOH6(H)
13CH3 C COOH
O
2
(2H)
CoASH
3
CH3Asetil-CoA
CH3 C O ∼ PAsetil-P
O
4 ADP
ATP
CH3 COOH
Asetat
5
6
7
4(H)
2H2O
Laktat Piruvat
C
C
2COOH
COOH
H2
OOksaloasetat
2COOH
CH2
C HOH
COOH Malat
C
C
COOH
2COOH
H
H Fumarat
8ADP+Pi
ATP4(H)
C
C
COOH
2COOH
H2
H2
Suksinat9C
C
C
COOH
H2
H2
∼SCoA
OSuksinil-CoA
∼SCoA
C
C
2COOH
H CH3
O
Metil malonil-CoA
CH3 CH2 COOH
Propionat
∼SCoA
CH2
C
2CH3
O
Propionil-CoA
10
2(CoAS)
Enzim:
(1) Laktat dehidrogenase (a flavoprotein),
(2) Piruvat dehidrogenase (enzim NAD+ )
(3) Fosfotransasetilase,
(4) Asetat kinase,
(5) metilmalonil-CoA-piruvat transkarboksilase,
(6) Malat dehidrogenase,
(7) Fumarase,
(8) Fumarat reduktase,
(9)CoA transferase
(10) metilmalonil-CoA-rasemase.
Propionibacteria dapatmemproduksi suksinat danpropionat sebagai produk akhirbila ditumbuhkan pada glukosa→ memiliki karboksilase C3 keC4.PEP + CO2 + P → oxaloasetat+ PPi
PPi digunakan untuk fosforilasiFru-6P dan serin (Fosfoserin)
Oxaloasetat direduksi kesuksinat
Lintasan dari PEP keSuksinat:
1. Fumarat sebagai electronsinks yang memungkinkanNADH di oksidasi
2. Fumarat reduktase → situspenggabungan
Suksinat dapat dikonversi kesuccinyl-CoA yangdibutuhkan untukbiosintesis tetrapyrol, lisin,asam diaminopimelat danmetionin
Fermentasi asetat(asetogenesis)
C. thermoaceticum : CO2sebagai electron sinkmelalui lintasan asetil CoA
Desulfotomaculumthermobenzoicum (pereduksisulfat) : jika tumbuh padapiruvat tanpa sulfat
Desulfobulbus propionicusmemfermentasi piruvat keasetat dan propionat melaluilintasan suksinat-propionat
4CH3 C COOH
O
Piruvat1
8(H) 4CO2
CoASH
4CH3 C ∼ SCoA
O
4CH3 C O ∼ P
O
34ADP
ATP
4CH3COOH
Asetat
46(H),ATPCO2
CO25
(CH3)
(CO)2(H) 6
CH3 C ∼ SCoA
OCoASH
CH3 C O ∼ P
O
8ADP
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
Grup yang heterogen,anaerob toleran, ada pada kulithewan, traktus gastrointestinal,beberapa hidup di vegetasi,produk susu, ada penting dalambidang medis dan komersial
Lactobacillus, Leuconostoc,Sporolactobacillus, Pediococcusdan Bifidobacterium
Memfermentasi glukosahanya melalui fermentasi →ATP dari fosforilasi tingkatsubstrat. Kondisi tertentu →mentransport laktat keluar seldengan simport H+
menghasilkan ΔΨ
Tipe fermentasi:1. Homofermentasi : glikolisis2. Heterofermentasi : pentosa fosfat3. Lintasan Bifidum:Bifidobacterium bifidum
Homofermentasi laktat
Glukosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 laktat + 2 ATP
Heterofermentasi laktat
Laktat diproduksi saatdekarboksilasi dan isomerisasipada lintasan pentosa fosfat
Glukosa + ADP + Pi → etanol+ laktat + CO2 + ATP
Lintasan Bifidum
2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi → 3asetat + 2 laktat + 5 ATP
Menggunakan reaksi pentosafosfat dan homofermentatif
Fermentasi asam campurandan butanediol
Bakteri entero bersifatanaerob fakultatif →perubahan ke anaerob:
1.Reduktase terminalmengganti oksidase padarantai transpor elektron
2.Siklus TCA tereduksi.Suksinat dehidrogenasediganti fumarat reduktase
3.Piruvat-format liase digantipiruvat dehidrogenase
4.Fermentasi asamcampuran atau butanediol
Fermentasi asam campurandan butanediol sama dalamhal memproduksi asam organikcampuran, CO2 dan NADH.
Fermentasi butanediol(Serratia, Enterobacter danErwinia) banyak memproduksi2,3 butanediol, asetoin, CO2
dan etanol
Fermentasi asam campuran:Escherichia, Salmonella,Shigella
Fermentasi asam campuran
Reaktannya: PEP + CO2 atauPiruvat
Produknya: suksinat, laktat,asetat, etanol, format, CO2, H2.
Format dioksidasi ke CO2 danH2 oleh sistim enzim format-hidrogen liase yang terdiri atasformat dehidrogenase danhidrogenase.
Format dehidrogenasemengoksidasi format ke CO2dan mereduksi hidrogenaseyang akan mentransfer elektronke 2 proton membentuk H2.
Shigella dan Erwinia takmempunyai format-hidrogenliase → tak ada gas
Glukosa G6P 6-P-Glukonat
2(H)
ATP
1 2 3
CO22(H)
RuMP
CH2OH
Xyl-5-P
C
C
C
CH2O
O
OHHO
H
O
P
1
2
3
4
5
Pi
4
5
CH3 C O ∼ PAsetil-P
O
1 2
CH3 C ∼ SCoA
O
Pi 6
72(H)
CH3 C H
O
Asetaldehid
82(H)
CH3 CH2OH
Etanol
PGALD
C
CHOH
CH2O P
H O3
4
5
Pi92(H)
C O ∼ P
1.3 BPGA
O
CHOH
CH2O P
10ADP
ATP
3-PGA
COOH
CHOH
CH2O P
COOH
CHO P
CH2OH
11
2-PGA
C O ∼ P
PEP
COOH
CH2
C O
Piruvat
COOH
CH3
Laktat
COOH
CHOH
CH3
Enzim ; (1) heksokinase, (2) glukosa-6 fosfat
dehidrogenase, (3) 6-fosfoglukonat
dehidrogenase, (4) ribulose-5-fosfat
epimerase, (5) fosfoketolase, (6) fosfotransasetilase, (7) asetaldehid
dehidrogenase,(8) alkohol dehidrogenase,(9) PGALD dehidrogenase,(10) PGA kinase, (11) fosfogliserat mutase,(12) enolase, (13) piruvat kinase, (14) laktat dehidrogenase.
2(H)11
OAA
Malat
H2O12
Fumarat
Suksinat
2(H)13
Asetil-CoA +
1/2 Glukosa1
2H
PEP
ATPADP
ADP + Pi
ATP
2
Piruvat
ADP
ATP
3 CoASH
Format
Asetil-P
ADP
ATP9
Asetat
Pi8
2(H)6 CoASH
Asetaldehid
7
Etanol
Laktat4
H2
CO25
10Pi
CO2
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 danasetoin
Dekarboksilasi piruvat oleh α−asetolaktat sintase yang bergantungthiamin pirofosfat (TPP) →asetaldehid aktif terikat ensim.Asetaldehid aktif ditransfer kepiruvat oleh α−asetolaktat sintasemembentuk α−asetolaktat →dekarboksilasi → asetoin → 2,3butanediol
Produksi butanediol disukai padakondisi medium agak asam danmerupakan cara bakterimengurangi keasaman pH eksternalyang disebabkan oleh sintesis asamorganik dari piruvat
Fermentasi butirat
Selain butirat juga sedikit CO2dan H2.
Clostridia proteolitik pentingpada dekomposisi proteinsecara anaerob dan disebutputrefaction
Fermentasi butirat dan butanol-aseton
Pada C.acetobutylicum.
Pada fase eksponensialdiproduksi butirat, asetat, CO2dan H2 (fase asidogenik).
Memasuki fase stasionerkonversi asam organik kebutanol, aseton dan etanol (fasesolventogenik).
Kemampuan mengirim elektronke hidrogen melaluiNADH:ferredoxinoxidoreductase memungkinkanbakteri memproduksi lebihbanyak asetat → lebih banyakATP daripada mereduksi asetil-CoA ke butirat, namun secaraenergi tak disukai dan dihambatoleh akumulasi H2.
2(H)
TPP.E
1/2 Glukosa
1 2(H)
ATP
2 Asetil-CoA
CoASHFormat
OH
6Asetaldehid
7Etanol
4
5
CH3 C COOH
O
Piruvat
3CO2 H2+
2(H)CO2
8
(CH3 C TPP.E)
OH “Asetaldehid Aktif”
CO2
CH3 C COOH
O
CH3 C C COOH
COOH
O
α - Asetolaktat
OH
CH3 CH C CH3
O
Asetoin9 (2H)
OH
CH3 CH CH CH3
OH
2,3 Butanediol
2(H)10
Laktat
Enzim :
(1) enzim glikolitik,
(2) piruvat-format liase,
(3) format-hidrogen liase,
(4) asetaldehid dehidrogenase,
(5) alkohol dehidrogenase,
(6,7) alfa-asetolaktat sintase,
(8) alfa-asetolaktat dekarboksilase,
(9) 2,3-butanediol dehidrogenase,
(10) laktat dehidrogenase.
H3C
S
H
CH3
TPP-EN
NH2
CH2+ N
CH2 CH2 O P P Enzim
1
H+
S
CH3
+ NDipolar ion
H+
2
S
CH3
+ N
CH3 C OHC
OO
TPP-adduct
H+
3CO2
S
CH3
N :
CH3 C OH“Asetaldehid
aktif”
CH3 C OCO2
b
S
CH3
+ N
CH3 C O H
CH3 C OHCO2
b
S
CH3
+ N
- Asetolaktat H
CH3 C C CO2
CH3
OHO
H+
aS
CH3
+ N
CH3 C O H
H
a
H+
S
CH3
+ NCH3 C H
O
Asetaldehid
CH3 C O
OPiruvat
O
Reaksi katalis TPP,
(1) TPP-enzim kehilangan proton menjadi ion dipolar. Anion distabilkan oleh kutub positif nitrogen.
(2) ion dipolar berkondensasi dengan piruvat membentuk TPP-adduct.
(3) Elektron attracting N dalam TPP memfasilitasi dekarboksilasi membentuk asetaldehid aktif.
Glukosa 12NAD+
22 Piruvat
3
2CH3
O
C ∼ SCoAAsetil-SCoA
CoASH
Asetoasetaldehid
4
5
O
CH3 C CH2 C
O
∼SCoA
β -Hidroksibutiril-SCoA
OH
CH3 C CH2 C
H
O
∼SCoA
Krotonil-SCoACH3 CH CH C
H
O
∼SCoA
6
Butiril-SCoACH3 CH2 CH2 C
O
∼SCoA
7
CH3 CH2 CH2 C O∼ PButiril-P
O
CH3 CH2 CH2 C OHO
Asam butirat
8ADP
ATP
CoAS
Pi
H+ + NADH
NAD+
H2O
H+ + NADH
NAD+
FdoxFdred
2CO22CoASH
2NADH + H+
2Pi + 2ADP 2ATP
Enzim:
(1) glikolisis,
( 2) piruvat-ferredoksin oksidoreduktase,
(3) asetil-CoA asetiltransferase (tiolase),
(4) beta-hidroksibutiril-CoA dehidrogenase,
(5) krotonase,
(6) butiril CoA dehidrogenase,
(7) fosfotransbutirilase,
(8) butirat kinase
(9) hidrogenase.
GlukosaATP
ADP
2
17
Glukosa-6-P
Fruktosa-6-P
2-Fosfogliseraldehid
Pentosa
Pentosa-P
ADP
ATP
1
ATP
ADP
4ADP + 2Pi
4ATP2NAD+
2NADH + 2H+
2 Piruvat2H2
4H+
Fdox
Fdred2CO2
2 Asetil-CoA
CoASH
Asetoasetil-CoA
NAD+
NADH + 2H+
3
Hidroksibutiril-CoA
H2O4
Crotonil-CoANADH + H+
5NAD+
Butiril-CoA ButiraldehidNADPH + H+
NADP+15
14
Butanol
CoASH
Pi6Butiril-P
ATPADP
7Butirat
10Asetoasetatik
11
CO2Aseton
8Asetil-P9
ATPADP
AsetatCoASH
Asetaldehid
Etanol
NAD+
NADH + 2H+13
ATP
ADP
NADH + H+
NAD+H2
16
CoASH Pi
Glukosa
2 Piruvat
2
1
ADP
ATP
Asetil-CoA
Asetil-P
Asetat
Asetaldehid
Asetil-CoA
Etanol
3 5
4 6
PiNADH
NADH
4H+
2NAD+
2NADH
2H2
2Fdox
2Fdred 4H+
2H2
CO2
CH4
P
Ruminococcus albus Metanogen
2CO2
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.