BIOKIMIA. Marisa Handajani

(1)

BIOKIMIA

Marisa Handajani

(2)

• Biokimia : perubahan-perubahan kimia yang dilakukan oleh organisme hidup

• Reaksi yang berlangsung :

– Ekstraseluler reaksi hidrolisis (reaksi pemutusan ikatan kimia dengan penambahan air)

– Intraseluler – Intraseluler

• Reaksi-reaksi kimia yang dilakukan oleh organisme ini terjadi pada temperatur jauh dibawah temperatur yang sesungguhnya diperlukan untuk rekasi tersebut

KATALIS

• Katalis menurunkan energi aktivasi untuk reaksi

• Katalis yang dihasilkan oleh organisme hidup ENZIM

(3)

(4)

Proses Biologi

S

S S

S

S S S

S SS

B S C O₂

CO₂

H₂O

(5)

ENZIM

• Enzim adalah katalis organik yang dihasilkan oleh sel hidup dan dapat bekerja di luar maupun di dalam sel

– Enzim ekstraseluler : enzim yang disekresikan oleh sel – Enzim intraseluler : enzim yang bersatu dengan

protoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam sel protoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam sel

• Enzim berfungsi menginisiasi reaksi dan

mengendalikan kecepatan reaksi spesifik untuk jenis organisme

• Enzim merupakan senyawa protein yang sensitif terhadap suhu

• Nomenklatur : reaksi yang terjadi diberi akhiran -ase

(6)

(7)

Jenis Enzim

• Konstitutif (constitutive) : enzim yang dihasilkan terus menerus

• Inducibel (inducible) : enzim yang dihasilkan apabila dibutuhkan sebagai repons terhadap apabila dibutuhkan sebagai repons terhadap stimulus eksternal

(8)

6 Kelompok Enzim

• Hidrolase (Karbosidase, Esterase, Proteoase, Amidase, Deaminase)

• Oksido-reduktase (Dehidogenase, Hidorksilase, Reductive dehalogenase, oksidase, oksiganase, metan monooksidase, toluen dioksidase, amonia metan monooksidase, toluen dioksidase, amonia monooksidase)

• Transferase

• Liase

• Isomerase

• Ligase

(9)

Aktivitas Enzim

• Aktivitas enzim ditentukan oleh struktur proteinnya

• Aktivitas enzim dipengaruhi oleh:

– Kehadiran Ko-faktor:

– Temperatur – pH

– Ketersediaan makronutrien dan mikronutrien

(10)

Ko-Faktor

• Co-factor : struktur non proteinmetal : Zn, Mg, Mn, Fe, Cu, Co, Ni, K dan Na

• Co-enzim : struktur molekul organik yang tahan terhadap panas (heat stable)

tahan terhadap panas (heat stable)

(11)

Temperatur

• Reaksi biokimia mengikuti aturan van’t Hoff : laju reaksi meningkat 2x untuk setiap

kenaikan temperatur 10^oC dalam suatu rentang suhu tertentu.

• Q₁₀ : rasio laju reaksi pada temperatur tertentu terhadap laju pada suhu 10^oC

Denaturasi enzim

tertentu terhadap laju pada suhu 10^oC dibawahnya

• Nilai Q10 dipengaruhi oleh 3 faktor utama:

1. Laju degradasi senyawa 2. Laju transfer oksigen 3. Kelarutan oksigen

(12)

pH

• Konsentrasi H⁺ mempengaruhi kecepatan reaksi biokimia

• Rentang pH optimum untuk aktivitas enzim sangat sempit aktivitas enzim sangat sempit

kebanyakan bekerja pada kondisi netral 6-9

• Kondisi lingkungan diatur dengan sistem buffer

(13)

Makro-Mikro Nutrien

• Makro Nutrien : Unsur yang diperlukan bakteri dalam jumlah besar untuk reproduksi : C,N, P,S

• Mikro nutrien : unsur yang dibutuhkan dalam

• Mikro nutrien : unsur yang dibutuhkan dalam jumlah kecil (trace amount) untuk metabolisme

sel (aktivitas enzim dan kapasitas fisiologi lainnya)

– Ca, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, K, Se dan Zn. (umum) – Mo : bakteri fiksasi Nitrogen

– Ni : bakteri methanogen

(14)

Biodegradasi

• Mineralisasi : konversi senyawa organik oleh organisme hidup menjadi produk akhir berupa mineral (non organik) dalam kondisi aerob.

Dalam mineralisasi akan dihasilkan energi

• Biotransformasi : konversi senyawa organik asal tidak menjadi mineral secara sempurna, namun sebagian dikonversi menjadi senyawa organik lain.

(15)

Biotransformasi

(16)

Biokimia Karbohidrat

• Bakteri menggunakan karbohidrat untuk sintesa lemak, protein dan memperoleh energi serta jaringan sel

(polisakarida di dalam dan diluar sel).

• Tahap pertama metabolisme karbohidrat : Hidrolisis sampai sedikitnya tingkat disakarida sebelum transfer sampai sedikitnya tingkat disakarida sebelum transfer ke dalam sel.

• Setelah didalam sel gula sederhana (monosakarida) dapat digunakan untuk energi dan sintesa.

• Pathway (jalur) metabolisme gula sederhana tergantung pada kondisi lingkungan (aerob atau anaerob)

(17)

Biokimia Karbohidrat

• Dalam kedua kondisi tersebut konversi awal yang terjadi adalah:

• Aerob: (untuk menghasilkan energi)

Asam organik >

kapasitas sistem buffer : pH ↓

INHIBISI atau Menghentikan

Asam organik

• Aerob: (untuk menghasilkan energi)

• Anaerob:

(18)

Biokimia Protein

• Bakteri sedikit memerlukan protein.

• Bakteri mampu mensintesa protein dari

nitrogen inorganik dan organik non protein (karbohidrat, lemak, alkohol)

(karbohidrat, lemak, alkohol)

• protein (hidrolisis) α-asam amino (deaminasi dalam sel) amonia

(dalam kondisi aerob dan anaerob)

(19)

(20)

(21)

Biokimia Minyak dan Lemak

• Degradasi lemak memiliki jalur yang sama untuk kondisi aerob dan anaerob.

• Lemak (hidrolisis) gliserol dan asam lemak

• Asam lemak bebas (hidrolisi material lemak; deaminasi asam

amino; fermentasi karbohidrat dan oksidasi omega) akan dipecah melalui proses oksidasi pada atom karbon beta (beta oxydation) Knopp’s theory

• Oksidasi ini berlangsung beberapa tahap

• Senyawa yang berperan dalam proses transformasi ini adalah

“Coenzim A”

• Oksidasi tercapai melalaui penyisihan hidrogen (elektron) secara enzimatik yang difasilitasi oleh electron carrier (FAD dan NAD)

(22)

• Pada tahap akhir pemecahan molekul, dihasilkan 1 molekul asam asetat dan 1

molekul (original) asam menjadi sebuah asam turunan dengan jumlah atom karbon dua atau turunan dengan jumlah atom karbon dua atau kurang.

(23)

(24)

• Aerob : elektron dibawa FADH dan NADH digunakan untuk mereduksi molekul O2 H2O dan menghasilkan energi

• Anaerob: transfer elektron tidak mengikuti skema ini.

(25)

(26)

Klasifikasi Organisme

• Sumber Karbon untuk sintesa sel

– Senyawa organik : heterotrophs – Karbon anorganik : autotrophs

• Cara menghasilkan energi

– Sinar matahari : photosynthetic/phototophic – Oksidasi senyawa organik : chemoorganotrophs – Oksidasi senyawa anorganik : chemolithotrophs

(27)

Jalur Biokimia Umum

• Mikroorganisme mendapatkan energi melalui oksidasi karbohidrat, protein dan lemak

• Reaksi oksidasi melibatkan perpindahan elektron :

elektron :

– dari senyawa tereduksi (elektron donor) makanan mikroorganisme

• Senyawa organik

• Senyawa anorganik : NH3, S^2-, H₂, Fe²⁺

– ke material pengoksidasi (elektron aksetor)

(28)

• Energi yang dipindahkan dari donor elektron ke organisme untk sintesis dan pemeliharaan sel melalui

serangkaian rekasi enzim dimulai serangkaian rekasi enzim dimulai dengan pembentukan pembawa elektron FADH dan NADH

• Senyawa kunci dalam rangkaian

transfer enerrgi adalah Nukleotida, Adenosine diphosphate (ADP)

(29)

• ADP menggunakan energi yang dihasilkan dari oksidasi untuk membentuk ikatan dengan fosfat untuk membentuk nukeotida yang lain :

Adenosine Triphosphate (ATP)

• ATP yang terbentuk akan bergerak ke dalam sel untuk memberikan energi bagi sintesis, dan

pemeliharaan sel atau pergerakan. Dengan reaksi kebalikan persamaan di atas.

(30)

• Fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) : proses dimana energi yang terkandung dalam NADH (atau electron carriers lain – FADH dan NADPH) dapat dikonversi ke ATP dan

NADPH) dapat dikonversi ke ATP dan

melibatkan terbentuknya gradien proton (H⁺) – proton motive force.

(31)

• Energi yang tersimpan dalam gradien ini digunakan untuk membentuk ATP.

• Jumlah energi yang terbentuk ditentukan oleh akseptor elektron akhir yang tersedia.

akseptor elektron akhir yang tersedia.

• Dalam kondisi aerob:

• Energi yang dihasilkan dari setiap mol NADH:

Aerob > reduksi Fe dan denitrifikasi > anaerob

(32)

(33)

(34)

• Ketersediaan energi dapat diketahui berdasarkan “energi bebas”

• Reaksi setimbang untuk oksidasi donor elektron dan reduksi terminal elektron elektron dan reduksi terminal elektron

akseptor didapat dengan menggabungkan

“half reaction”

• Nilai ΔG⁰ dapat dihitung, pengecualian untuk H⁺ = -39.87/eq, nilai ΔG⁰pada pH 7; [H⁺]=10^-7.

(35)

(36)

Energi dan Pertumbuhan Bakteri

• Mikroorganisme mengoksidasi senyawa

organik maupun anorganik untuk memperoleh energi untuk pertumbuhan dan pemeliharaan sel.

• Informasi tentang transformasi yang terjadi akan membantu dalam perhitungan

kebutuhan terminal elektron akseptor dan

jumlah produk akhir dan produk antara yang terjadi NERACA MASSA

(37)

• Pembuatan neraca massa memerlukan

informasi reaksi kimia yang setimbang untuk keseluruhan konversi secara biologi, termasuk untuk keperluan sintesa dan energi

untuk keperluan sintesa dan energi

• Porsi Sintesa : C5H₇O₂N

• Reaksi yang terjadi dapat menggunakan reaksi pada Tabel 6.4

(38)

(39)

(40)

• Rc = setengah reaksi untuk sintesis sel bakteri (1) atau (2)

atau (2)

• Ra = setengah reaksi untuk elektron aksetor

• Rd = setengah reaksi untuk donor elektron

• fs = porsi elektron donor untuk sintesa

• fe = porsi elektron donor untuk energi

• fs+fe =1

(41)

• V

Sel muda yang

tumbuh dengan cepat

Sel tua fs ≈ Sel tua fs ≈ 20% fs max

energi untuk

maintence >

sintesa

(42)