I METABOLISME MIKROBA

METABOLISME MIKROBA

PETA KONSEP

Proses Metabolisme:

Anabolisme

Katabolisme

Karbohidrat, Lemak, Protein

Proses sintesis sel dan enzim, memelihara steady state sel, penyerapan unsur hara, ekskresi senyawa, pergerakan sel

Reaksi enzimatik,

Reaksi Reduksi- Oksidasi

– 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

Anabolisme:

Pembentukan senyawa yang memerlukan

energi (Rekasi endergonik):

FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C

₆

G

₁₂

O

₅

DARI CO

₂

DAN

H

₂

O

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

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:

• Karaktersitik enzim

• Faktor yang mempengaruhi kerja enzim

• Pengaturan sistem enzim

• Penamaan 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 Fe

2+

, Mn

2+

, Cu

2+

, 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

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

PENAMAAN ENZIM

• Oxidoreductases (EC1)

• Transferases (EC2)

• Hydrolases (EC3)

• Lyases (EC4)

• Isomerases (EC5)

• Ligases (EC6)

TIPE METABOLISME MIKROBA

• Heterotrof

• Ototrof

Metabolisme

Sumber C Sumber N

Sumber

energi

Sumber H

+ Heterotrof/ Kemoorganotrof Organik Organik Atau anorganik Oksidasi senyawa organik -Ototrof/ kemolitotrof CO₂ anorganik Oksidasi Senyawa anorganik -Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri Sianobakteri Fotoorganotrof Bakteri CO₂ CO₂ CO₂ Anorganik Anorganik Anorganik Cahaya matahari Cahaya matahari Cahaya matahari H₂S atau H₂ Fotolisis H₂O Bahan organik

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 O

₂

; 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 NO

₃

, SO

₄

, senyawa organik

fumarate, dan CO

₂

; dan donor elektron berupa bahan

organik, misalnya, bakteri metanogen

• Bakteri yang tumbuh lambat dengan keberadaan

senyawa anorganik (ion mineral) tanpa

menggunakan sinar matahari sebagai sumber

energi

• Sumber karbon: CO2

• Sumber N: NH

₃

, NO

₃-

, atau N

₂

METABOLISME OTOTROF

Tipe kemosintetis Oksidasi

senyawa anorganik sebagai sumber energi

Famili, Genus, spesies pewakil

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 Fe}3+_. Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus ferrooxidans Ferrobacillus, Leptothrix Pengoksidasi

senyawa sulfur dan pereduski 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

CO

₂

+ 2CH

₃

CHOHCH

₃

→ (CH

₂

O) + H

₂

O + 2CH

₃

COCH

₃

Fotosintesis bakteri hijau belerang

CO

₂

+ 2H

₂

S → (CH

₂

O) + H

₂

O + 2S

Fotosintesis Anoksigenik:

Tidak Menghasilkan O

₂

Fotosintesis Oksigenik:

Menghasilkan O

₂

Fotosintesis Sianobakteri

METABOLISME KARBOHIDRAT

• Glikolisis = glukosa menjadi piruvat

• Siklus Kreb (Siklus asam sitrat) = piruvat

menjadi CO

₂

dan NAD pembawa H

+

• Oksidasi Transport Elekteron = NAD dan H

+

memasuki seri reaksi reduksi oksidasi untuk

menghasilkan energi

• Fosforilasi Oksidatif = energi dari transport

Glukosa

_{Asam Piruvat}

Acetyl-CoA CO2 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

Energi

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)

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

LIntasan Pentosa phosphate (PP) Hasil akhir dari

pemecahan 1 molekul glukosa adalah 1 piruvat, 3 CO2, 1 ATP dan 3

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 CO

₂

dan NAD

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

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 + NH

₄+

+ 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 + NADPH

₂

+ H

+

→ L-Glutamat +

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

Biosintesis asam

amino

Biosintesis nukleotida.

Biosintesis purin

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

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